CN103261483A - 包括高温蒸汽电解池电池的产氢电池 - Google Patents

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Abstract

一种产氢电池，其包括包含在致密的和气体不可渗透的阴离子导电电解质（403）的任一侧面上的多孔阴极（404）和多孔阳极（402）的高温蒸汽电解（HTSE）电池，其中在高温蒸汽电解电池的阴极（404）上和电化学泵的阳极（406）上，将所述高温蒸汽电解电池直接地串联连接到包括在致密的和气体不可渗透的阳离子导电电解质（407）的任一侧面上的多孔阳极（406）和多孔阴极（408）的电化学泵的电池上。

Description

包括高温蒸汽电解池电池的产氢电池
技术领域
本发明涉及产氢电池，其包括高温蒸汽电解池或HTSE的电池。
通常可将本发明的技术领域限定为用于高温蒸汽电解或HTSE的设备的领域。
背景技术
在高温电解池中，由汽化的水来进行水的电解。
高温电解池的功能是依照下列反应将蒸汽转变成氢和氧：
2H2O(g)→2H2+O2。
通过在电解池的电池中的电化学途径实现这个反应。
如图1显示的，每个单元电池由两个电极组成，即，放置在通常以膜（3）的形式存在的固体电解质的任一侧面上的阳极（1）和阴极（2）。
两个电极（1，2）都是电子导体并且电解质（3）是离子导体。
具体地，电解质可以是阴离子导体，更具体地是O2-离子的阴离子导体，然后，将该电解池称为阴离子电解池。
在每个电子导体和离子导体之间的界面上发生电化学反应。
在阴极（2）上，半反应如下：
2H2O+4e-→2H2+2O2-；
在阳极（1）上，半反应如下：
2O2-→O2+4e-。
在由施加在阳极（1）和阴极（2）之间的电势差形成的电场作用下，放置在两个电极之间的电解质（3）是O2-离子（4）的迁移位置。
图2图示的单元反应器由如上述描述的具有阳极（1）、电解质（3）和阴极（2）的单元电池（5）和两个单极连接器或更精确地两个半互连器（6，7）组成，其确保电、液压和热量功能。将这个单元反应器称为模块。
为了增加产生的氢和氧的生产量，并且如图3中显示的，将数个单元模块堆叠（8），然后通过互连器或双极互连板（9）分隔电池（5）。
将整个模块（8）放置在两个上部（10）和下部（11）互连板之间，它们具有电源和气体源（12）。然后，将此称为“堆叠”（图3）。
对于堆叠，存在两种设计、构型、结构。
-管状堆叠，其中电池是管状，和
-平面堆叠，其中电池制成如图3中的平板形式。
在阴离子电解池中，在高温下的蒸汽电解遭遇限制其产量的主要问题。
因此，还限制了高温蒸汽电解池的工业发展。
实际上，在现有的阴离子电解池中，将有待电解的蒸汽直接注入到电化学电池的阴极区室（水还原成氢的位置）。
因此，反应的产物（即，形成的氢）与初始试剂（即，注射的水）混合，然后，其起到稀释气体的作用，并且限制水解作用的反应动力学。
因此，在阴离子电解池中引起的一个主要问题是，不可能在应用期间获得较高产量（即较高的蒸汽电解百分比）。
为了找到对这个问题的补救办法，有可能增加电池[1]的表面。
电解池尺寸的增加直接影响后者的成本。
利用阴离子电解池引起的另一个问题是，相反地，在电解池出口产生的氢中发现未电解的蒸汽。
然后，必须将分离设备设置在电解池出口处的位置上从而通过提取其中[1]含有的水来纯化氢。
例如，可通过将蒸汽冷凝然后使它经过干燥阶段来处理氢。
这样的分离、纯化系统的实施具有不可忽视的额外的尺寸和成本。
为了找到对这些问题的补偿办法所考虑的解决方案是，在阴极区室中蒸发比寻求的氢生产需要的水量更大的水量。
然而，这导致另外的能量消耗，其将减少电解单元[2,3]的总能量产率。
最终，通常用基于镍金属的金属陶瓷来制造电解池的阴极，因此，为了避免金属陶瓷的降解，有必要将氢注射到引入到阴极区室中的蒸汽中。
因此，通常需要对电解池出口处的氢取样，然后，在将其再次注射到蒸汽[1]中之前，将其压缩。
因此，这个最后的操作需要结合在上游蒸汽循环回路上的，具有可控质量的氢网络的存在。
作为总结，通过下列方法解决在这些阴离子电解池中引起的问题：
-为了指定的生产量增加电池的表面积；
-蒸发电解池上游的过量水；
-将蒸汽与电解池外部（即在冷区中）的氢分离；
-对电解池下游的氢取样，然后，将其压缩以将其注入电解池上游的蒸汽循环回路中。
然而，如上述讨论的，这些解决方案中没有一个能够完美地解决所提出的全部问题。
实际上，所有的解决方案造成显著的成本超支（overcosts）和/或新的困难。
因此，对于高温蒸汽电解池或HTSE（其对于由如上列出的现有技术的高温蒸汽电解池引起的所有问题提供令人满意的解决方案的可能性），存在仍然不能满足的需要。
更具体地，需要这样的高温蒸汽电解池，不同于上述讨论已经提出的解决方案，它们在解决全部的这些问题时，不能导致新的困难和/或新的成本超支。
本发明的目标是提供满足这些需要的高温蒸汽电解池。
本发明的目标进一步是提供不具有现有技术的高温蒸汽电解池的缺点、瑕疵、限制和劣势的高温蒸汽电解池，并且其解决由现有技术的高温蒸汽电解池引起的全部问题。
发明内容
依照本发明，通过包括包含在致密的和气体不可渗透的阴离子导电电解质（403）的任一侧面上的多孔阴极（404）和多孔阳极（402）的高温蒸汽电解池或HTSE的电池的产氢电池实现这个目标，和进一步的其他目标，其中在高温蒸汽电解池的电池的阴极（404）处，和在电化学泵的阳极（406）处，将所述高温蒸汽电解池的电池直接地串联结合到包括在致密的和气体不可渗透的质子导电电解质（407）的任一侧面上的多孔阳极（406）和多孔阴极（408）的电化学泵的电池上。
通常，电池进一步包括用于为电池供应纯水流或水和氢混合物流的供给装置，以及用于从电池中抽出纯氧流和纯氢流的装置。
让我们规定，在整个说明书中，致密的电解质或更通常地致密层或材料通常是指孔隙率按体积计小于7％的电解质或层或材料。
有利地，通过具有开孔孔隙率（405）的多孔厚层来装配蒸汽电解池的电池的阴极（404）和电化学泵的阳极（406）。
有利地，具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）具有按体积计从20％至90％的开孔孔隙率，优选按体积计从30％至70％。
有利地，具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）具有从0.05mm至5mm的厚度，优选从0.5mm至5mm。
有利地，具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）由与蒸汽电解池的电池的阴极（404）相同的材料组成；或者具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）由与蒸汽电解池的电池的阴极（404）的材料等效的材料组成（即，针对基本上相似的电子传导具有接近的化学成分）；或者具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）由与蒸汽电解池的电池的阴极（404）的材料化学相容的材料组成；或者具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）由与蒸汽电解池的电池的阴极（404）相同的电子导电材料组成。
有利地，具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）具有比蒸汽电解池的电池的阴极（404）的孔隙率更高的孔隙率。
有利地，蒸汽电解池的电池的阴极（404）具有按体积计从20％至40％的开孔孔隙率。
有利地，具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）由与电化学泵的阳极（406）的材料不同的材料组成。
有利地，具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）具有比电化学泵的阳极（406）的孔隙率更高的孔隙率。
有利地，电化学泵的阳极（406）具有按体积计从20％至40％的开孔孔隙率。
在第一实施方式中，依照本发明的电池可具有平面几何形状。
有利地，具有平面几何形状的这种电池可包括下列连续层的堆叠：
-双极板或内部互连器；
-高温蒸汽电解池的电池的多孔阳极；
-高温蒸汽电解池的电池的致密的气体不可渗透的阴离子导电电解质；
-高温蒸汽电解池的多孔阴极；
-具有开孔孔隙率的多孔厚层；
-电化学泵的多孔阳极；
-电化学泵的致密的气体不可渗透的质子导电电解质；
-电化学泵的多孔阴极；
-双极板或外部互连器。
在第二实施方式中，依照本发明的电池可具有管状几何形状。
有利地，具有管状几何形状的这种电池可包括金属管（401），和依次放置在所述金属管（401）的外侧面周围的下列层，以及形成同心管：
-高温蒸汽电解池电池的多孔阳极（402）；
-高温蒸汽电解池的电池的致密的气体不可渗透的电解质（403）；
-高温蒸汽电解池的多孔阴极（404）；
-具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）；
-电化学泵的多孔阳极（406）；
-电化学泵的致密的气体不可渗透的电解质（407）；
-电化学泵的多孔阴极（408，409）；
-外部金属管（410）。
有利地，在依照本发明具有管状几何形状的电池中，封闭管的一个纵向末端并且管的另一个纵向末端配备有密封件。
依照本发明的电池串联地结合包括阴离子导电电解质的高温蒸汽电解池电池HTSE（或固体氧化物电解池，SOEC）和由包括质子导电电解质的电池组成的电化学泵。
换句话说，依照本发明的电池结合具有阴离子导电材料的电池和具有质子导电材料的电池。
在现有技术中从未描述，也未提出在具有阴离子导电材料的电池和具有质子导电材料的电池之间的这样的串联耦合、这样的接合，连接。
在高温蒸汽电解池HTSE的电池的阴极（即，阴离子导电电池的阴极）上，和在电化学泵的阳极（即，质子导电电池的阳极）上确保高温蒸汽电解池HTSE电池和电化学泵之间的藕合、接合、连接。
这种串联安装为两种电池使用共同的电源提供了可能性，并且因此，确保随之发生的能源节省。
在依照本发明的电池中，随着它的产生，电化学地泵送在高温蒸汽电解池HTSE的电池中形成的氢。
更具体地，在电化学泵的阳极上，将在HTSE阴极上产生的氢氧化成质子，其将扩散、迁移，同时通过质子膜，直到电化学泵的阴极，在那里，它们将被还原成不含水的纯氢。因而，在依照本发明的电池中，有可能使反应平衡朝向形成氢气移动。
依照本发明的产氢电池协同地串联接合不同类型的两个电池，其中将其整合到单一的和相同的紧凑的、单体的（整体的）装置中，这导致尺寸方面并且因此在装置的成本方面，显著地获益。
依照本发明的电池不具有现有技术的电池的缺点、瑕疵、限制和劣势，并且对由现有技术的电池引起的问题提供解决方案。
可能特别地考虑的是，依照本发明的电池（其中随着氢的产生电化学地泵送形成的氢），对在现有技术的电池中引起的问题提供整体的和经济上有利的解决方案。
在催化领域工作的研究者的多个团队已经提到了电化学泵的概念。
在文件[4]中显示这些研究的汇总。
在这个文件显示的设备中，将质子导电电化学泵与催化腔室直接地接合，且由单独的电力供应获益。
催化腔室（由多孔催化载体和分散在它的表面上的催化剂组成）然后显示为电化学泵的阳极的延伸，并且在膜的周围（即，阴极区室和阳极区室），定义仅两个反应区室。
在这样的系统中，通过控制应用的电流，有可能移动在催化床上发生的反应平衡，并且增加产量。
这些系统与依照本发明的电池非常不同。
实际上，后者以电的方式和物理方式串联结合两个电化学系统，即，阴离子系统和质子系统。
因此，在依照本发明的电池中，在三个区室中定义四个不同的反应区域，其最终允许注射的水分解成纯氢和氧，并且不含水。
实际上，在电解池的阴极上将水分解成氢和O2-离子。后者通过电解池的电解质/阴离子导电致密膜朝向阳极扩散，在那里，它们被氧化成氧气形式。在电化学泵的阳极上将释放的氢氧化成质子的形式，其通过电化学泵的电解质/质子传导致密膜朝向泵的阴极扩散，在那里，它们被还原成纯氢。
在此，本发明的电池的一个优点是产生具有很高纯度的氧气和氢气，因此，在它们的生产的末端不需要任何分离，纯化处理。实际上，依照本发明的电池在整体的H2/H2O分离阶段实现这种分离，纯化，其不是别的正是电化学泵。
与现有技术的设备不同，依照本发明的电池不需要与庞大的和昂贵的分离、纯化设施接合，因为分离、纯化装置是电池的组成部分。
因此，结果是大量节省空间和成本。
附图说明
图1是高温蒸汽电解池（HTSE）的单元电池的示意性的纵剖视图；
图2是高温蒸汽电解池（HTSE）的单元反应器或单元模块的示意性的纵剖视图；
图3是包括单元模块的堆叠的常规高温蒸汽电解池的示意性的纵剖视图；
图4是依照本发明的产氢电池的示意性的横向半剖面图。
具体实施方式
依照本发明的设备包括两个电化学电池的物理结合，即，一方面是高温蒸汽电解池“HTSE”电池而另一方面是电化学泵电池。
这些电池都具有允许它们的结合、装配的相同的构型或几何形状。
因而，电池可具有2D（两维的）构型或几何形状，或电池可具有3D（三维的）构型或几何形状。
2D构型是平面构型。
首先为了简化的目的，并且然后，因为这是有可能最大限度地利用本发明所有优点的几何形状，在下面以3D构型和管状形式描述依照本发明的设备。
根据管状形式中的3D构型的描述，本领域的技术人员将没有困难地设计依照本发明的设备的其他构型和形式。
此外，平面构型是针对无限半径和无限的巢状圆柱形电池的圆柱形构型的延伸，具有另外的供应歧管和两个排出歧管。
因为，密封件是电活性的，因此热区域在另一方面，这些技术与传统地利用具有玻璃密封垫圈或金密封垫圈的SOFC的那些相同。
在这种3D管状构型中，依照本发明的设备由不同的管组成，在它们的一个末端上封闭并且彼此装入。
可通过应用工业陶瓷或不应用工业陶瓷的不同技术来制造陶瓷管，如等静压制、浸渍涂覆、挤出、注射、快速成型、校准、壳型铸造（空心铸造）等等。
图4描述的依照本发明的设备首先包括金属管（401），在有效高度上开孔（openworked）的侧壁，即，电解反应器的电极高度。在图4中，因此，应该注意的是，水平方向是电极高度的方向。
这种开孔的金属管（401）允许电流到达高温蒸汽电解池（402）的阳极。换句话说，这种开孔的金属管（401）形成阳极电流的供给。
在它的一个末端上（即，位于电解区域中的末端）封闭这种开孔的金属管（401），并且在冷区中，它在其另一个末端的侧面上延伸，直到电解炉的外面。因而，这种管可自由地扩展长度。
将金属管（401）装入用致密的陶瓷（403）制造的管中，即，具有通常大于或等于理论密度93％的密度，或进一步具有小于7％的孔隙率。
这种陶瓷是阴离子导电的气体不可渗透的陶瓷（403），并且构成高温蒸汽电解池的电解质。
通常由8YSZ类型（钇氧化锆（yttriated zirconia））、3YSZ类型（钇氧化锆）、ScZ类型（钪氧化锆（scandiated zirconia））、ScCeZ类型（钪和铈氧化锆（scandiated and ceriated zirconia））、YbZ类型（镱氧化锆（ytterbiated zirconia））或ScAlZ类型（钪和铝氧化锆（scandiated andaluminated zirconia））的电解质构成阴离子导电的气体不可渗透的致密陶瓷（403）。
管（403）在它的内部侧壁上提供有多孔阳极，其具有允许气体（402）自由通过的开孔孔隙率。
多孔阳极（402）是例如，基于LSM（用锶取代的亚锰酸镧）、LSCM（用锶取代的铬-亚锰酸镧（lanthanum chromo-manganite substituted withstrontium））、LSCF（用锶取代的钴-铁酸镧）、PSCF（用锶取代的钴-铁酸镨）、Nd2NiO4（镍酸钕）、Pr2NiO4（镍酸镨）、La2NiO4（镍酸镧）。
管403的外侧壁具有多孔阴极，其具有允许气体（404）自由通过的开孔孔隙率。
例如，用金属陶瓷类型的材料制造阴极（404）。
这种金属陶瓷通常由阴离子导电陶瓷组成，如8YSZ、3YSZ、ScZ、ScCeZ、YbZ、ScAlZ、GDC（用氧化钆Gd2O3掺杂的二氧化铈）、YDC（用氧化钇Y2O3掺杂的二氧化铈）、镍、和可选地铜。
可选地，金属陶瓷可包括起催化剂作用的一种或数种其他金属，例如，选自Ir、Ru、和Pt。
在它的外侧，阴极（404）包含多孔收集区（405）。
这种多孔收集区（405）可由金属陶瓷的金属组成，或由与接触的条件和介质相容的电子导电金属组成。
这种多孔收集区（405）是可以被描述成，例如，具有0.05mm至5mm的厚度，优选从0.5mm至5mm厚度的收集区。
多孔收集区（405）通常进一步表现比阴极（404）的开孔孔隙率更大的开孔孔隙率，其允许将多孔导电层用作气体源。
多孔收集区（405）的孔隙率通常包括在按体积计20％至90％之间，优选在按体积计30％和70％之间。
多孔收集区（405）的外表面具有另一个多孔功能区（406），其表现出按体积计通常从20％至40％的开孔孔隙率，以允许气体自由通过。
例如，用由质子导电陶瓷，如BZY91、BCZY（Ba(Ce,Zr,Y)O3-δ）、BCY、BaInxTi1-xO3、SrZrxEr1-xO3；和镍组成的金属陶瓷类型的材料制造这种另外的多孔功能区（406）。
这种另外的多孔导电区（406）起到电化学泵阳极的作用。
可以考虑的是，层（405）是电解电池和电化学泵共有的，确保阴离子和质子电池之间的连续性，并且有助于这两种电池的物理装配。
事实上，层（405）可由特殊元件组成，或者，可将这个层整合到电解电池或电化学泵中。
换句话说，可以指出的是，依照本发明的电化学系统，依照本发明的电池，包括串联地放置具有共同的HTSE阴极部分和电化学泵的阳极部分（即，中间金属陶瓷的收集部分）的两个电化学反应器。
这个共同部分不是别的，正是图4显示的层（405）。
通过它的外表面，将另外的多孔功能区（406）结合到致密的，气体不可渗透，和质子导电的电解质（407）上。
例如，这种电解质（407）是BZY91、BaInxTi1-xO3、BCZY、BCY、SrZrxEr1-xO3类型的电解质。
电解质（407），正如多孔功能区（406），是圆柱形的并且在它的外侧面上具有电极（408），它是例如，用由质子导电陶瓷如BZY91、BaInxTi1-xO3、BCZY、BCY、SrZrxEr1-xO3，和镍组成的金属陶瓷类型的材料制造的。
这种电极（408）起到阴极作用，并且它自身还包含多孔的厚收集区（409），其显示允许气体自由通过，并且更具体地，允许在设备中形成的气体（例如，氢气（H2））自由通过的开孔孔隙率。
最后的金属管（410）放置在由金属陶瓷制造的多孔的厚收集区（409）的外表面上，并靠近电化学系统。
这种金属管（410）有可能将电流供应给电化学泵的阴极。
在3D管状构型中，在位于图4右侧的管的自由末端上，在热区域外部进行设备的密封。
因此，可在管的自由末端上，利用常规的所谓的“冷”技术容易地进行密封。
自由末端实际上可比其他末端更冷，因为它们没有装备电极，并且因此，它们不能电化学地活化。
取决于温度水平，可应用在通常小于300℃的温度下应用的常规垫片技术，或使用陶瓷纤维的技术。
此外，原则上，将产生的氢自动地转移到氢区室中，并且将管的自由末端定位在“生产区域之外”。
因此，在这些区域中的气体将是氢侧上的蒸汽和氧侧上的氧气。因此，蒸汽轻微泄露到氧气中将是不危险的，或氧气或氢气损失不利于产品产量。这是依照能够确保通过所谓的“冷”技术，以简单的和可靠的方式进行密封的电池的另一个优点。
参考的，标准的，阴离子反应器或蒸汽电解池是：LSM//YSZ//Ni-YSZ。
参考质子反应器是：Ni-BZY91//BZY91//Ni-BZY91。
通常在高压下，例如，高于10bar的压力，以及在中间温度下，例如，从300℃至700℃，来操作依照本发明的电池。
在层（405）上（图4中的箭头411），利用水和氢气的混合物供给电池，其通常包括按体积计0％（其意味着，可利用纯水来供应电池）至50％的氢，例如，按体积计10％氢气。
在出口处，通过图4的右侧（箭头412）的管（409）的自由末端收集100％纯氢，并且通过图4的右侧（箭头413）的管（401）的自由末端收集100％纯氧。
在下文中，首先以管状的，3D几何形状的配置描述依照本发明的电池的制备，制造。
为了以管状构型生成由两个电化学电池组成的这种系统，首先，有可能通过等静压制制备电化学泵的电解质（407）。
然后，在高温下，烧结这种个电解质，例如，在BZY91的情形下，在1,650-1,700℃下持续3小时。
然后，在这种电解质/质子导电膜（407）的任一侧面上沉积用于在还原之后形成电化学泵的阳极和阴极的复合材料。
通常，在电介质的任一侧面上沉积相同的复合材料，例如，NiO/BZY91。
例如，可通过浸渍涂覆同时地进行这些沉积。
同样地，分别地在通过还原将产生阴极（408）的复合材料上和通过还原将产生阳极（406）的复合材料上沉积用于在随后的还原之后形成负责确保电荷转移和气体自由通过的层（409）和（405）的材料（例如，复合材料）。
例如，这种材料可以是NiO，或者是NiO和陶瓷复合材料。
从电“收集”的观点看，甚至有利的是，用Ni而非金属陶瓷制造层（409）或（405）。
当用陶瓷-镍金属陶瓷制造层（409）或（405）时，后者（陶瓷-镍金属陶瓷）通常含有小部分的陶瓷，例如，按质量计从1％至10％，然后，主要地将陶瓷用作镍-金属的锚定，因而限制它随着温度聚结。
例如，可通过浸渍涂覆同时地实现这些沉积。
在用于接合到电化学泵的单独的和尺寸调整的方式中（直径/长度）中，例如，通过等静压制来制造用高温蒸汽电解池HTSE（403）的电池的8YSZ制造的阴离子导电电解质。
然后，在高温下，将这种电解质烧结，例如，在YSZ的情形中，在1,550℃下持续3小时。
然后在阴离子导电电解质（403）的外表面上，沉积复合材料，用来通过还原形成高温蒸汽电解池（HTSE）（404）的电池的阴极。
例如，这种复合材料是NiO/8YSZ。
例如，可通过浸渍涂覆来实现这种复合材料的沉积。
通过还原处理，将使复合材料给出组成HTSE阴极的材料。
因而，例如，NiO/8YSZ复合材料给出Ni/8YSZ金属陶瓷。
一旦进行HTSE阴极（404）的沉积，将由在其外表面上提供的HTSE电解质（403）与HTSE阴极（404）组成的管装入由电化学泵（407）的质子导电电解质和层（405）、（406）、（408）、和（409）组成的管中。
然后，共同烧结整体，例如，包括在1200℃和1400℃之间的温度下持续3小时。
然后，在烧结的阴离子导电电解质的内表面上，沉积材料，如LSM，用于构成高温蒸汽电解池电池的阳极（402）。
例如，可通过浸渍涂覆或喷雾涂覆来沉积这种材料。
然后，烧结沉积的层，例如，在LSM的情形中，在1,050℃下持续3小时。
接下来，应该在氢气或稀释的氢气下（例如，从2％至5％）进行单一的同时的和可控的还原处理。
这种热还原处理通常包括在400℃至1000℃的温度下观察的平台，持续30分钟至10小时。
因而，例如，有可能观察到适于NiO的总体还原并且位于600和1000℃之间的平台。
这种还原导致形成构成电化学泵的阴极（408）和阳极（406）的材料，和构成层（409）和（405）的材料。
这种还原还有可能获得构成高温蒸汽电解池的电池的HTSE阴极（404）的材料。
因而，复合材料NiO/BZY91的还原产生Ni/BZY91金属陶瓷且NiO的还原产生金属镍，而复合材料NiO和陶瓷的还原产生Ni/陶瓷金属陶瓷，且复合材料NiO/8YSZ的还原产生Ni/8YSZ金属陶瓷。
上面已经提供了进入层（409）和（405）的组成的陶瓷的实例。
在确保还原不影响不被还原的层的情况下，控制还原。
因而，如果用LSM制造，则高温蒸汽电解电池的阳极（402）将不被还原，而如果用Nd2NiO4制造，则它的还原没有结果。
实际上，有可能避免某些层被还原，因为它们位于不同的区室，因此，它们可能是彼此绝缘的。
最后，分别地将电池的内部的（401）和外部的（410）管状金属外壳加到层（402）的内表面上，以及加到层（409）的外表面上。
现在，以2D，平面构型，几何形状来描述依照本发明的电池的制备，制造。
为了生产由处于平面构型的两个电化学电池组成的这种系统，首先，有可能通过流延成型制备电化学泵的电解质（407）。
然后，在高温下，烧结这个电解质，例如，在BZY91的情形中，在1,650-1,700℃下持续3小时。
接下来，在这种电解质/质子导电膜（407）的任一侧面上沉积用于通过随后的还原形成电化学泵的阳极（406）和阴极（408）的复合材料。
通常，在电介质（407）的任一侧面上沉积相同的复合材料，例如，NiO/BZY91。
例如，可通过浸渍涂覆同时地，或通过丝网印刷术或喷雾涂覆一个接一个地实现这些沉积。
同样地，分别地在通过还原可以产生阴极（408）的复合材料上和通过还原可以产生阳极（406）的复合材料上沉积用于在随后的还原之后形成负责确保电荷转移和气体自由通过的层（409）和（405）的材料，例如，复合材料。
例如，这种材料可能是NiO，或者是NiO和陶瓷复合材料。
从电收集的观点看，甚至有利的是，用Ni而非金属陶瓷制造层（409）或（405）。
当用陶瓷-镍金属陶瓷制造层（409）或（405）时，后者（陶瓷-镍金属陶瓷）通常含有小部分的陶瓷，例如，从20％至50％，然后，主要地将陶瓷用作镍金属的锚定，因而限制它随着温度的聚结。
例如，可通过浸渍涂覆同时地实现这些沉积。
接下来，在层（405）上沉积用于通过还原形成高温蒸汽电解池HTSE（404）的电池的阴极的复合材料。
例如，这种复合材料是NiO/8YSZ。
例如，可通过丝网印刷或喷雾涂覆来实现这种复合材料的沉积。
例如，还通过丝网印刷术在层（404）上沉积高温蒸汽电解池HTSE（403）的电池的阴离子导电电解质，例如，8YSZ，作为薄层，例如，具有从5至20μm的厚度。
然后，共同烧结整体，例如，在包括1,200℃和1,450℃之间的温度下持续3小时。
在烧结的阴离子导电电解质（403）的下表面上沉积用于形成高温蒸汽电解池电池的阳极（402）的材料，如LSM。
例如，可通过丝网印刷术或喷雾涂覆来沉积这种材料。
然后，烧结沉积的层，例如，在LSM的情形中，在1,050℃下持续3小时。
接下来，在氢气或稀释的氢气下（例如，从2％至5％）进行单一的同时的和可控的还原处理。
这种还原热处理通常包括在从400℃至1000℃的温度下观察到的平台，持续从30分钟至10小时时间。
因而，例如，有可能观察到适于NiO的总体还原并且位于600和1000℃之间的平台。
这种还原导致形成构成电化学泵的阴极（408）和阳极（406）的材料，和构成层（409）和（405）的材料。
这种还原还有可能获得构成高温蒸汽电解池的电池的HTSE阴极（404）的材料。
因而，复合材料NiO/BZY91的还原产生Ni/BZY91金属陶瓷且NiO的还原产生镍金属，而复合材料NiO和陶瓷的还原产生Ni/陶瓷金属陶瓷，且复合材料NiO/8YSZ的还原产生Ni/8YSZ金属陶瓷。
上面已经提供了进入层（409）和（405）的组成的陶瓷的实例。
在确保还原不影响不被还原的层的情况下，控制还原。
因而，如果用LSM制造，高温蒸汽电解电池的阳极（402）不被还原，而如果用Nd2NiO4制造，它的还原没有结果。
如前面已经指示的，为了避免某些层被还原，有可能绝缘多个区室，其中例如通过玻璃垫片来发现它们。本领域的技术人员熟知这样的操作。
最后，分别地将电池的内部的（401）和外部的（410）双极板或金属互连器加到层（402）的内表面上，并且加到层（409）的外表面上。
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Claims (15)

1.一种产氢电池，包括包含在致密的和气体不可渗透的阴离子导电电解质（403）的任一侧面上的多孔阴极（404）和多孔阳极（402）的高温蒸汽电解池或HTSE的电池，其中在所述高温蒸汽电解池的电池的阴极（404）和在所述电化学泵的阳极（406）处将所述高温蒸汽电解池的电池直接地串联耦合到包括在所述致密的和气体不可渗透的质子导电电解质（407）的任一侧面上的多孔阴极（406）和多孔阳极（408）的电化学泵的电池上。
2.根据权利要求1所述的电池，其中通过具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）来装配所述蒸汽电解池的电池的阴极（404）和所述电化学泵的阳极（406）。
3.根据前述权利要求中的任何一项所述的电池，其中所述具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）具有按体积计从20％至90％的开孔孔隙率，优选地按体积计从30％至70％。
4.根据权利要求2或3所述的电池，其中所述具有开孔孔隙率的多孔厚层具有从0.05mm至5mm的厚度，优选地从0.5mm至5mm。
5.根据前述权利要求中的任何一项所述的电池，其中所述具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）由与所述蒸汽电解池的电池的阴极（404）相同的材料组成；或者所述具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）由与所述蒸汽电解池的电池的阴极（404）的材料等效的材料组成；或所述具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）由与所述蒸汽电解池的电池的阴极（404）的材料化学相容的材料组成；或者所述具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）由与所述蒸汽电解池的电池的阴极（404）相同的电子导电材料组成。
6.根据前述权利要求中的任何一项所述的电池，其中所述具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）具有比所述蒸汽电解池的电池的阴极（404）的孔隙率更大的孔隙率。
7.根据前述权利要求中的任何一项所述的电池，其中所述蒸汽电解池的电池的阴极（404）具有按体积计从20％至40％的开孔孔隙率。
8.根据前述权利要求中的任何一项所述的电池，其中所述具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）由与所述电化学泵的阳极（406）的材料不同的材料组成。
9.根据前述权利要求中的任何一项所述的电池，其中所述具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）具有比所述电化学泵的阳极（406）的孔隙率更大的孔隙率。
10.根据前述权利要求中的任何一项所述的电池，其中所述电化学泵的阳极（406）具有按体积计从20％至40％的开孔孔隙率。
11.根据前述权利要求中的任何一项所述的电池，其具有平面几何形状。
12.根据权利要求11所述的电池，其包括下列连续层的堆叠：
-双极板或内部互连器；
-所述高温蒸汽电解池的电池的多孔阳极；
-所述高温蒸汽电解池的电池的致密的气体不可渗透的阴离子导电电解质；
-所述高温蒸汽电解池的多孔阴极；
-具有开孔孔隙率的多孔厚层；
-所述电化学泵的多孔阳极；
-所述电化学泵的致密的气体不可渗透的质子导电电解质；
-所述电化学泵的多孔阴极；
-双极板或外部互连器。
13.根据权利要求1至10中的任何一项所述的电池，其具有管状几何形状。
14.根据权利要求13所述的电池，包括金属管（401），和依次置放在所述金属管（401）的外侧面周围的下列层，并且形成同心管：
-所述高温蒸汽电解池的电池的多孔阳极（402）；
-所述高温蒸汽电解池的电池的致密的气体不可渗透的电解质（403）；
-所述高温蒸汽电解池的多孔阴极（404）；
-具有开孔孔隙率的多孔厚层（405）；
-所述电化学泵的多孔阳极（406）；
-所述电化学泵的致密的气体不可渗透的电解质（407）；
-所述电化学泵的多孔阴极（408，409）；
-外部金属管（410）。
15.根据权利要求11所述的电池，其中封闭所述管的一个纵向末端以及所述管的另一个纵向末端提供有密封件。
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