CN117654269A - 一种质子导体固体氧化物燃料电池在高效分离氢同位素中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种质子导体固体氧化物燃料电池在高效分离氢同位素中的应用，所述质子导体固体氧化物燃料电池包括复合阳极层、复合电解质层、复合阴极层；所述复合阳极层含有氧化镍和质子导体粉末；所述质子导体粉末为铈酸钡、锆酸钡基或铈酸钡‑锆酸钡基中至少一种；所述复合电解质层含有氧化镍和BZY；所述复合阴极层含有LSCF和BZY。本发明通过氢同位素在质子导体固体氧化物燃料电池中电极和电解质迁移速率的差异，从而达到高效分离氢同位素，具有安全、无污染、低成本等特点，同时在氢同位素分离过程中，质子导体固体氧化物燃料电池可以实现持续稳定的发电，而且可实现热电联产，提高能源的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及氢同位素分离领域，具体涉及一种质子导体固体氧化物燃料电池在高效分离氢同位素中的应用。
背景技术
鉴于日益严峻的污染环境和有限的化石能源，发展新型能源迫在眉睫，在众多的新能源中，核能具有能量清洁、安全、储存和运输简便、不会造成环境污染、不会加重温室效应、成本低等优势，因此，核能是解决能源危机的有效手段之一。在核裂变中，中子裂变出来的是快速中子，快速中子会大量飞散，这就需要使中子减速以增加与原子核碰撞的机会，所以反应堆中要放入能使中子速度减慢的慢化剂。重水作为反应堆的慢化剂和冷却剂，运行时由于中子照射将不断产生氚。因此，从重水堆的含氚重水中提氚，成本低、效率高，是一种稳定的氚来源。但是氢同位素具有相似的物理和化学性质，因此，如何有效的从核裂变反应堆中回收氘和氚是一项具有挑战性的任务，传统的氢同位素分离技术如低温精馏、置换色谱分离、热扩散等技术存在设备体积大、运行成本高、不安全以及分离因子低等缺点，因此，开发一种高效、安全、低成本的氢同位素分离技术对核能以及其他相关领域的发展是非常有意义的。
质子导体固体氧化物燃料电池是一种直接将化学能转变成电能的清洁能源转换装置，具有安全、燃料使用广泛、燃料利用率高、环保等特点，且相比于氧离子导体，其更适用于中低温化运行，具有更高的燃料利用率，因此，近些年，受到了广泛的研究和应用。由于质子导体电极和电解质传导质子，氢同位素在质子导体电极和电解质中各自的迁移速率不同，促进了氢同位素分离，同时调控温度与偏压进一步提高氢同位素分离效应，因此，利用质子导体固体氧化物燃料电池对氢同位素进行分离是十分具有应用前景的技术。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明将质子导体固体氧化物燃料电池应用在氢同位素分离中，通过氢同位素在电极和电解质中迁移速率的差异和外加电势差的作用来有效实现氢同位素分离。在实现分离的过程中，同时，以氢同位素为燃料实现质子导体在中低温下持续发电，产生的余热可作为分离氢同位素后，实现热电联产，进一步提高能源利用率。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明提供了一种质子导体固体氧化物燃料电池在分离氢同位素中的应用，所述质子导体固体氧化物燃料电池包括复合阳极层、复合电解质层、复合阴极层；
所述复合阳极层含有氧化镍和质子导体粉末；所述质子导体粉末为铈酸钡、锆酸钡基或铈酸钡-锆酸钡基中至少一种；
所述复合电解质层含有氧化镍和BZY；
所述复合阴极层含有LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ)和BZY(BaZrxY1-xO3-δ，其中0＜x＜1)。
所述的氢同位素在质子导体固体氧化物燃料电池中迁移速率的差异，调控偏压和温度，达到高效、安全、绿色和节能地分离纯化氢同位素。
优选地，所述复合阳极层中，所述质子导体粉末为BZY或BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ(BZCYYb)。
优选地，所述复合阳极层中，所述氧化镍和质子导体粉末的质量比为1：(1-2)；进一步优选地，所述复合阳极层中，所述氧化镍和质子导体粉末的质量比为1：1.5。
优选地，所述复合电解质层中，所述氧化镍和BZY的质量比为1：(150-250)；进一步优选地，所述复合电解质层中，所述氧化镍和BZY的质量比为1：200。
优选地，所述复合阴极层中，LSCF和BZY的质量比为(1.5-3)：1；进一步优选地，所述复合阴极层中，LSCF和BZY的质量比为7:3。
优选地，所述质子导体固体氧化物燃料电池由包括以下步骤的制备方法制备得到：
(1)质子导体粉末的制备：按化学计量比合成所需的质子导体粉末，在高温下烧结，得到纯相钙钛矿质子导体固体氧化物粉末；
(2)阳极生胚的制备：将质子导体粉末、氧化镍、造孔剂混合，以无水乙醇为介质，球磨、干燥，得到阳极粉末，压制成型后，焙烧，形成阳极生胚；
(3)阳极支撑电解质的半电池制备：将所述质子导体粉末、烧结助剂、成膜剂、塑化剂、分散剂和无水乙醇混合，球磨得到电解质浆料；采用浸渍提拉法，将阳极生胚的一测均匀浸渍电解质浆料，烧结，得到阳极支撑电解质的半电池；
(4)全电池的制备：将LSCF、BZY和有机物添加剂混合后研磨得到阴极浆料，在所述阳极支撑电解质的半电池的另一侧涂刷阴极浆料，烘干后，焙烧，得全电池。
进一步优选地，步骤(1)中，所述烧结的温度为1100-1200℃，时间为8-12h。
进一步优选地，步骤(2)中，所述焙烧的温度为800-1000℃，时间为1-3h。
进一步优选地，步骤(2)中，所述造孔剂为可溶性淀粉，所述造孔剂与质子导体粉末的质量比为1：(1.5-2.5)。
进一步优选地，步骤(3)中，所述球磨的时间为1-3h；所述烧结的温度为1400-1500℃，时间为4-8h。
进一步优选地，步骤(3)中，所述烧结助剂、成膜剂、塑化剂、分散剂分别为氧化镍、PEG、TEA、DOP；再进一步优选地，所述质子导体粉末：成膜剂：塑化剂：分散剂：无水乙醇(重量比)＝5-6:0.25-0.35:0.25-0.45:0.30-0.40:15-17。
进一步优选地，步骤(4)中，所述有机物添加剂为PVA和松油醇的混合物，所述PVA和松油醇的质量比为1:9；所述焙烧温度为900-1100℃，时间为1-3h；再进一步优选地，所述BZY和有机物添加剂的质量比为(0.2-0.4)：1。
优选地，在所述质子导体固体氧化物燃料电池阳极通入H2和D2的混合气体，在400-700℃、0.5-0.8V下持续放电1-5h，在阴极实现氢同位素的分离。H/D混合气进入阳极腔室，在阳极上H2和D2被催化成H+和D+，这两种阳离子在电解质中迁移速率存在差异，从而在阴极处达到高效分离氢同位素的目的。有效解决目前氢同位素分离技术中分离效率低，不安全，设备复杂以及成本高等问题，提高了氢同位素分离系数。在核裂变重水反应堆中氢同位素的提取和纯化中十分有应用前景。
进一步优选地，所述H2和D2的体积比为1:1、7:3和9:1中的一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
质子导体固体氧化物具有燃料利用率高、环保、安全以及不需贵金属材料，成本低。氢同位素在电极和电解质中迁移速率的差异，实现质子导体固体氧化物燃料电池对氢同位素进行高效分离，且通过调控放电偏压和温度，提高氢同位素分离效应的可控性。在进行氢同位素分离的同时以氢同位素为燃料，实现电池稳定可持续发电，产生的余热可供其他设备使用，提高了能量的利用率。具体如下：
(1)本发明中，使用质子导体固体氧化物燃料电池作为氢同位素分离纯化的器件，而质子导体固体氧化物燃料电池可以使用氢气以及含氢化合物作为燃料，在中低温下运行，产物不含有污染性气体，不经过卡诺循环，燃料使用率高，且不需要使用贵金属材料，降低成本，将质子导体固体氧化物燃料电池应用于氢同位素分离领域中，能有效地解决目前氢同位素分离技术领域中存在的问题，具有较好的应用价值。
(2)本发明中，通过质子导体固体氧化物燃料电池达到高效分离纯化氢同位素的目的，在分离氢同位素的过程中，质子导体固体氧化物燃料电池以氢同位素为燃料，实现可持续稳定的发电，且产生的余热，可供其他设备利用，因此，不仅可达到高效分离氢同位素的目的，还可以持续获得电能，且余热可供其他设备使用，一举多得。
(3)本发明中，采用质子导体固体氧化物燃料电池作为氢同位素分离纯化的器件，利用质子导体，结合电化学技术，分离氢同位素(氢和氘)，通过调控放电压以及分离温度，可精准地对其分离效应进行可控，为其实际应用提供重要理论和实践价值。
(4)本发明中，设备体积小，运行过程安全，操作简便，成本低。
附图说明
图1是Ag/BZY/Ag电池在700℃时，H2和D2中阻抗图；
图2是以氢同位素为燃料时，质子导体固体氧化物燃料电池在700℃的功率密度图；
图3氢同位素分离过程中，NiO-BZY/BZY/LSCF-BZY电池中阴极产物的红外光谱图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到。
实施例1
本实施例提供了Ag/BZY/Ag对称电池的制备方法，其具体步骤如下：
(1)称取适量BZY商业粉(Cerpotech公司，粒径<1mm)、0.2wt.％NiO(BZY重量的百分比)装入玛瑙球磨罐中，再加入适量的无水乙醇，放入高能球磨机上，300r/min的转速，球磨1h，干燥。
(2)往BZY+0.2wt.％NiO粉体中加入适量的PVA粘结剂，在研钵中研磨30min。
(3)取2.5g步骤(2)中的粉体，装入直径为25mm不锈钢模具中，在10MPa下，保持1min，得到待烧结的BZY圆片。
(4)将步骤(3)中的BZY圆片置于1600℃并保温6h，获得致密的BZY电解质片。
(5)将烧结后BZY电解质片表面打磨光滑，涂上Ag浆做为阴极和阳极，得到Ag/BZY/Ag对称电池，采用二电极法，Ag作为工作电极和对电极，测试电池阻抗，用以探究BZY对H2和D2的同位素效应。
将Ag/BZY/Ag对称电池，在700℃，H2、D2中阻抗测试，具体步骤如下：
(1)待电池温度升至700℃后，保温1h。再通入5％H2+2.7％H2(1ml/min H2+19ml/minAr)，采用Ivium CompactStat电化学工作站在开路电位测量电池的交流阻抗谱，测量频率范围为1M Hz～0.1Hz。
(2)步骤(1)中的阻抗测试完后，将气氛切换成5％D2+2.7％D2O(1ml/min D2+19ml/minAr)，进行阻抗谱测试。
实施例2
本实施例提供了一种大尺寸阳极支撑的BZY质子导体固体氧化物燃料电池的制备方法，具体步骤如下：
(1)按BaZr0.9Y0.1O3-δ的化学计量比，称取相应质量的BaCO3、ZrO2和Y2O3，以无水乙醇为介质，装入玛瑙球磨罐中，在高能球磨机上以300r/min，球磨2h，干燥，然后置于1150℃下保温10h，获得纯相钙钛矿BZY粉体。
(2)根据NiO：BZY：可溶性淀粉＝2:3:1的质量比，分别称取12g BZY、8gNiO和4g可溶性淀粉于玛瑙球磨罐中，以无水乙醇为介质，在300r/min的转速下，球磨2h，干燥，然后称取1.6g置于直径为25mm的不锈钢模具中，在10MPa下，保持1min，然后将压好的阳极片置于800℃下保温2h，形成阳极生胚。
(3)按BZY：NiO：PEG：TEA：DOP：无水乙醇＝5.000g：0.025g：0.300g：0.360g：0.300g：15.000g的质量比，称取相应的原料，于220r/min下球磨1.5h后，得到电解质浆料。采用浸渍提拉法，将阳极生胚的一侧均匀浸渍电解质，然后置于1450℃下烧结6h后，获得大尺寸阳极支撑的BZY半电池。
(4)根据LSCF：BZY：10wt.％PVA-90wt.％松油醇＝0.7：0.3：1的质量比，称取相应的原料置于研钵中，手动研磨2-3h，得到LSCF-BZY阴极浆料。将阴极浆料涂刷至上述半电池电解质的另一侧，并置于140℃下烘30min，如此重复3次，获得NiO-BZY/BZY/LSCF-BZY全电池，烘干后，电池焙烧温度和时间为1000℃，2h，获得全电池。
将NiO-BZY/BZY/LSCF-BZY结构的质子导体固体氧化物燃料电池，在以H/D为燃料时，进行功率测试，具体步骤如下：
(1)采用银浆(DAD-87，上海合成树脂研究所)将银线和电极连接，并作为电极上的集流体。
(2)采用陶瓷密封剂将电池密封于氧化铝管的顶部。
(3)将封接好的电池置于管式电炉中，将温度升至700℃。通入H2，待还原完毕后，设置电子流量计，通入H2：D2＝1：1的混合气至阳极腔室，利用电化学工作站，监测开路电压，稳定后，进行阻抗和伏安特性测试。
将NiO-BZY/BZY/LSCF-BZY结构的质子导体固体氧化物燃料电池，阳极通入H/D混合气(H2：D2＝1：1)，在500-700℃区间，测试该电池的氢同位素分离效应，具体步骤如下：
(1)当电池温度达到700℃后，通过电子流量计，以20ml/min的H/D(H2：D2＝1：1)输送至阳极腔室。
(2)在0.8V的偏压下持续稳定放电，收集阴极处的液体产物，待收集到足够的液体产物后，可选择其他偏压下放电，并收集阴极的液体产物，如0.7V、0.6V以及0.5V等，且每更换偏压后，放电1h后，再收集阴极的液体产物，以保证各分离条件下，电池对氢同位素分离效应的准确性。
(3)其他温度可采取类似操作。如600℃、500℃和400℃等。
(4)阴极的液体产物，通过红外光谱检测，计算阴极产物H2O和D2O的百分含量，分析该电池对氢同位素分离效应。
测试结果
图1为Ag/BZY/Ag电池，700℃时，H2和D2中的阻抗。从图中可以得到，当气氛由H2切换成D2后，电池的欧姆阻抗和极化阻抗数值均增大，表明了BZY质子导体对于H2O和D2O气氛的切换都有响应，因此，可验证在BZY质子导电陶瓷中存在H/D的同位素效应。
图2为以氢同位素为燃料，NiO-BZY/BZY/LSCF-BZY电池在700℃的功率密度。开路电压为0.91V，功率密度为210mW/cm2，表明BZY电池可以氢同位素为燃料，实现持续稳定的发电。
图3为氢同位素分离过程中，NiO-BZY/BZY/LSCF-BZY电池中阴极产物的红外光谱图。从图中可以看出，阴极产物中D2O峰极小，通过对D2O和H2O吸收峰计算，得出D2O：H2O＝1：9，而在阳极通入的D2：H2＝1:1，其分离因子达到9，由此可见，BZY质子导体对氢的同位素分离是十分高效地。
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种质子导体固体氧化物燃料电池在分离氢同位素中的应用，其特征在于，所述质子导体固体氧化物燃料电池包括复合阳极层、复合电解质层、复合阴极层；
所述复合阳极层含有氧化镍和质子导体粉末；所述质子导体粉末为铈酸钡、锆酸钡基或铈酸钡-锆酸钡基中至少一种；
所述复合电解质层含有氧化镍和BZY；
所述复合阴极层含有LSCF和BZY。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述复合阳极层中，所述氧化镍和质子导体粉末的质量比为1：(1-2)。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述复合电解质层中，所述氧化镍和BZY的质量比为1：(150-250)。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述复合阴极层中，LSCF和BZY的质量比为(1.5-3)：1。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述质子导体固体氧化物燃料电池由包括以下步骤的制备方法制备得到：
(1)质子导体粉末的制备：按化学计量比合成所需的质子导体粉末，在高温下烧结，得到纯相钙钛矿质子导体固体氧化物粉末；
(2)阳极生胚的制备：将质子导体粉末、氧化镍、造孔剂混合，以无水乙醇为介质，球磨、干燥，得到阳极粉末，压制成型后，焙烧，形成阳极生胚；
(3)阳极支撑电解质的半电池制备：将所述质子导体粉末、烧结助剂、成膜剂、塑化剂、分散剂和无水乙醇混合，球磨得到电解质浆料；采用浸渍提拉法，将阳极生胚的一测均匀浸渍电解质浆料，烧结，得到阳极支撑电解质的半电池；
(4)全电池的制备：将LSCF、BZY和有机物添加剂混合后研磨得到阴极浆料，在所述阳极支撑电解质的半电池的另一侧涂刷阴极浆料，烘干后，焙烧，得全电池。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，步骤(2)中，所述焙烧的温度为800-1000℃，时间为1-3h。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，步骤(3)中，所述球磨的时间为1-3h；所述烧结的温度为1400-1500℃，时间为4-8h。
8.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，步骤(4)中，所述有机物添加剂为PVA和松油醇的混合物；所述焙烧温度为900-1100℃，时间为1-3h。
9.根据权利要求1-5任一项所述的应用，其特征在于，在所述质子导体固体氧化物燃料电池阳极通入H2和D2的混合气体，在400-700℃、0.5-0.8V下持续放电1-5h，在阴极实现氢同位素的分离。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述H2和D2的体积比为1:1、7:3和9:1中的一种。
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