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核能制氢技术的发展 被引量:16
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作者 张平 于波 徐景明 《核化学与放射化学》 CAS CSCD 北大核心 2011年第4期193-203,共11页
氢是清洁能源,有非常好的应用前景。但氢是二次能源,需要利用一次能源来生产。以可持续的方式(原料来源丰富、无温室气体排放)实现氢的大规模生产是实现氢广泛利用的前提。核能是清洁的一次能源,核电已经成为世界电力生产的主要方式之... 氢是清洁能源,有非常好的应用前景。但氢是二次能源,需要利用一次能源来生产。以可持续的方式(原料来源丰富、无温室气体排放)实现氢的大规模生产是实现氢广泛利用的前提。核能是清洁的一次能源,核电已经成为世界电力生产的主要方式之一。正在研发的第四代核能系统除了要使核电生产更经济和更安全之外,还要为实现核能在发电之外的领域的应用开辟途径。核能制氢就是以来源丰富的水为原料,利用核能实现氢的大规模生产。热化学循环工艺和高温蒸汽电解都是有望与核能耦合的先进制氢工艺,世界上许多国家,如美国、日本、法国、加拿大和中国,都在大力开展核能制氢技术的研发工作。中国正在积极发展核电,在大力开展核电站建设的同时,也非常重视核氢技术的发展。可以提供高温工艺热、最适合用于制氢的高温气冷堆示范电站的建设已经列入国家重大专项;在进行示范电站建设的同时,正在开展制氢工艺的研发工作。在2009年,清华大学核能与新能源技术研究院成功进行了对硫碘热化学循环和高温蒸汽电解的实验室规模工艺验证。 展开更多
关键词 氢能 核能制氢 热化学循环 高温蒸汽电解
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Advance in highly efficient hydrogen production by high temperature steam electrolysis 被引量:13
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作者 YU Bo ZHANG WenQiang +2 位作者 CHEN Jing XU JingMing WANG ShaoRong 《Science China Chemistry》 SCIE EI CAS 2008年第4期289-304,共16页
High Temperature Steam Electrolysis (HTSE) through a solid oxide electrolytic cell (SOEC) has been receiving increasing research and development attention worldwide because of its high conversion efficiency (about 45%... High Temperature Steam Electrolysis (HTSE) through a solid oxide electrolytic cell (SOEC) has been receiving increasing research and development attention worldwide because of its high conversion efficiency (about 45%-59%) and its potential usage for large-scale production of hydrogen. The mechanism, composition, structure, and developing challenges of SOEC are summarized. Current situation, key materials, and core technologies of SOEC (solid oxide electrolytic cell) in HTSE are re- viewed, and the prospect of HTSE future application in advanced energy fields is proposed. In addition, the recent research achievements and study progress of HTSE in Tsinghua University are also intro- duced and presented. 展开更多
关键词 HYDROGEN production high temperature steam electrolysis solid OXIDE electrolytic cells thermal-hydrogen conversion efficiency
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固体氧化物燃料电池阳极材料研究及其在高温水电解制氢方面的应用 被引量:9
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作者 张文强 于波 +2 位作者 张平 陈靖 徐景明 《化学进展》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2006年第6期832-840,共9页
本文综述了固体氧化物燃料电池阳极材料的研究现状和进展。详细地介绍了国内外固体氧化物燃料电池阳极材料的制备、改性、微观结构与性能关系以及阳极反应动力学机理,并对各种材料适用的条件和优缺点进行了比较。对阳极材料在高温电解... 本文综述了固体氧化物燃料电池阳极材料的研究现状和进展。详细地介绍了国内外固体氧化物燃料电池阳极材料的制备、改性、微观结构与性能关系以及阳极反应动力学机理,并对各种材料适用的条件和优缺点进行了比较。对阳极材料在高温电解制氢领域阴极上的应用前景进行了展望。 展开更多
关键词 固体氧化物燃料电池 阳极材料 高温电解
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阴极支撑Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ固体氧化物电解池制氢性能 被引量:7
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作者 梁明德 于波 +3 位作者 文明芬 陈靖 徐景明 翟玉春 《中国稀土学报》 CAS CSCD 北大核心 2009年第5期647-651,共5页
利用固体氧化物电解池(Solid oxide electrolysis cell,SOEC)在高温下电解水蒸气制氢,被认为是未来的大规模制氢方法之一。本文采用干压法和丝网印刷法制备了SOEC,考察了氢电极气氛和工作温度对SOEC电解性能的影响,测试了SOEC的... 利用固体氧化物电解池(Solid oxide electrolysis cell,SOEC)在高温下电解水蒸气制氢,被认为是未来的大规模制氢方法之一。本文采用干压法和丝网印刷法制备了SOEC,考察了氢电极气氛和工作温度对SOEC电解性能的影响,测试了SOEC的稳定性。实验结果表明:氢电极进气中适宜的水蒸气含量为70%~80%;电解池在800,850和900℃,1.50V的产氢速率分别为89,163和243N·ml·cm^-1·h^-1;在900℃以0.33A·cm^-2恒流电解2h,电解电压的稳定值为0.98V,并且电解池运行稳定,无明显衰减。阻抗谱解析表明,电极过程是整个电解池电极反应的速度控制步骤。 展开更多
关键词 高温蒸汽电解 固体氧化物电解池 固体氧化物燃料电池 制氢 稀土
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固体氧化物电解池La_(0.75)Sr_(0.25)Cr_(0.5)Mn_(0.5)O_(3-δ)-Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(2-δ)梯度型复合阴极制备及性能研究 被引量:7
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作者 谢益林 孔江榕 +2 位作者 潘迪 刘欣楠 周涛 《稀有金属》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第11期1343-1351,共9页
在氧化和还原条件下具有稳定结构的La_(0.75)Sr_(0.25)Cr_(0.5)Mn_(0.5)O_(3-δ)(LSCM)钙钛矿型氧化物是固体氧化物电解池(SOEC)高温水蒸气电解的重要阴极材料之一。为改进LSCM基阴极的催化活性,优化电极反应的三相界面,本研究通过LSCM... 在氧化和还原条件下具有稳定结构的La_(0.75)Sr_(0.25)Cr_(0.5)Mn_(0.5)O_(3-δ)(LSCM)钙钛矿型氧化物是固体氧化物电解池(SOEC)高温水蒸气电解的重要阴极材料之一。为改进LSCM基阴极的催化活性,优化电极反应的三相界面,本研究通过LSCM与Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(2-δ)(GDC)按照不同摩尔比组合成3层结构的梯度型复合阴极,并且在电极与电解质之间增加一层薄层的GDC缓冲层,增强电极与电解质的结合强度和化学相容性。构建三电极体系进行电化学测试,各电极分别在800℃,4%H_(2)O/H_(2)和4%H_(2)O/N_(2)环境中,开路电压状态下进行电化学阻抗谱测试,并根据等效电路将测试结果进行拟合。根据拟合结果研究阴极在还原和非还原性条件下电极反应过程的极化阻抗和控制步骤。当梯度型复合阴极中LSCM与GDC在第1~3层的摩尔比分别为40∶60,60∶40,80∶20时,电极在还原和非还原性气氛下具有较低的欧姆电阻和电极反应极化电阻,在4%H_(2)O/H_(2)环境下的欧姆阻抗R_(0)和极化阻抗R_(p1),R_(p2),R_(p3)分别为1.06,0.13,0.057,0.0082Ω·cm^(2),在4%H_(2)O/N_(2)环境下的欧姆阻抗R_(0)和极化阻抗R_(p1),R_(p2),R_(p3)分别为1.71,0.47,0.048,0.83Ω·cm^(2),因此电极具有较高的电子-离子电导率和较大的三相界面。 展开更多
关键词 固体氧化物电解池 高温水蒸气电解 梯度阴极 陶瓷材料
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核能制氢不同工艺与速率的经济性研究 被引量:7
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作者 李智勇 张一凡 +3 位作者 李文安 胡江 荣梅 尚鑫 《现代化工》 CAS CSCD 北大核心 2021年第7期29-34,共6页
为分析核能制氢的经济性,基于IAEA开发了氢经济评价程序(HEEP),重点分析了反应堆技术、制氢工艺和制氢速率的不同对制氢成本的影响,并与GIF经济建模工作组(EMWG)开发的G4-ECONS做了对比验证。计算结果表明,对于先进压水堆,可以利用核电... 为分析核能制氢的经济性,基于IAEA开发了氢经济评价程序(HEEP),重点分析了反应堆技术、制氢工艺和制氢速率的不同对制氢成本的影响,并与GIF经济建模工作组(EMWG)开发的G4-ECONS做了对比验证。计算结果表明,对于先进压水堆,可以利用核电厂的规模效应来提升制氢的经济性,对于高温气冷堆等四代堆型,在降低核电厂成本占比的同时还应该重点关注制氢厂的成本。另外,当氢气的生产速率一定时,可采用高温蒸汽电解或硫-碘热化学循环以提升整体的制氢效率;对于常规的电解,可以提高氢气的生产速率以提升制氢的经济性。研究结论不仅为开展核能制氢时经济性的提升指明了方向,还能够指导不同企业根据自身现状来选择适合的制氢方案。 展开更多
关键词 核能制氢 高温蒸汽电解 热化学循环 经济性
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单体固体氧化物电解池极化损失分析及阴极微结构优化 被引量:5
7
作者 于波 刘明义 +2 位作者 张文强 张平 徐景明 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2011年第2期395-402,共8页
基于高温固体氧化物电解池(SOEC)的高温蒸汽电解(HTSE)制氢技术作为一种非常有前景的大规模核能制氢新方法,受到国际上的迅速关注.但如何控制电解模式下的极化能量损失和性能衰减是HTSE实用化的关键.本文通过在线电化学阻抗测试技术,研... 基于高温固体氧化物电解池(SOEC)的高温蒸汽电解(HTSE)制氢技术作为一种非常有前景的大规模核能制氢新方法,受到国际上的迅速关注.但如何控制电解模式下的极化能量损失和性能衰减是HTSE实用化的关键.本文通过在线电化学阻抗测试技术,研究了实际运行状态下的单体固体氧化物池(SOC)在电池模式和电解模式下的极化阻抗分布,阐述了SOEC与高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的差异,确定了SOEC氢电极支撑层水蒸气扩散过程极化损失大是制约电解池制氢性能提高的主要因素.在此基础上,采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)造孔剂对氢电极支撑层的微观结构进行了调整和优化.微结构优化后,氢电极材料的孔隙率提高了50%,孔隙为规则圆形,分布均匀,更利于气体扩散;电解电压1.3 V时,单位面积产氢率高达328.1 mL·cm-2·h-1(标准态),为改进前电解池的2倍,实现50 h以上连续稳定性运行.研究成果可为HTSE的实际应用提供一定的理论数据和技术基础. 展开更多
关键词 高温蒸汽电解 核能制氢 固体氧化物电解池 极化损失 氢电极
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高温蒸汽电解制氢系统温度敏感性分析 被引量:2
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作者 刘明义 于波 +1 位作者 徐景明 陈靖 《原子能科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第10期881-885,共5页
通过电化学方法建立高温蒸汽电解制氢系统温度敏感性分析的数学模型,通过该模型对系统温度敏感性进行分析,并提出温度敏感系数的概念。定性的研究结果表明,在不同发电效率、电解效率以及热效率下,温度敏感系数均随着工作温度的增加而增... 通过电化学方法建立高温蒸汽电解制氢系统温度敏感性分析的数学模型,通过该模型对系统温度敏感性进行分析,并提出温度敏感系数的概念。定性的研究结果表明,在不同发电效率、电解效率以及热效率下,温度敏感系数均随着工作温度的增加而增大。这表明,系统总效率随着温度的升高而增大,且随着发电效率和热效率的增加,温度敏感系数也随之增大,但电解效率对温度敏感系数影响较小。定量的研究结果表明,工作温度为750~950℃的高温蒸汽电解制氢系统的温度敏感系数约为1.40,即系统工作温度分别为800和900℃时,由于温度升高而使系统总效率分别增加约10.5%和12%;相应的实际总制氢效率可分别高达55.8%和56.5%,约是常规碱性水电解制氢效率的两倍。 展开更多
关键词 高温蒸汽电解 高温气冷堆 固体氧化物电解池 温度敏感系数 敏感性分析
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纳米NiO-YSZ复合粉体原位合成及电极微结构修饰 被引量:2
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作者 梁明德 于波 +1 位作者 文明芬 翟玉春 《稀有金属材料与工程》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2009年第A02期443-446,共4页
采用氨水沉淀原位合成法制备了NiO-YSZ(Y2O3稳定的ZrO2)复合粉体,通过XRD、FESEM研究了溶液pH值对粉体性能的影响,并用干压法和丝网印刷法将氢电极分为支撑层(500μm)、过渡层(20μm)和功能层(10μm)三层进行梯度化制备,采用YSZ/SDC双... 采用氨水沉淀原位合成法制备了NiO-YSZ(Y2O3稳定的ZrO2)复合粉体,通过XRD、FESEM研究了溶液pH值对粉体性能的影响,并用干压法和丝网印刷法将氢电极分为支撑层(500μm)、过渡层(20μm)和功能层(10μm)三层进行梯度化制备,采用YSZ/SDC双层电解质,通过共烧结技术将SDC(Sc掺杂CeO2)(6μm)作为YSZ(4μm)电解质和Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF,20μm)氧电极的隔离层。结果表明,合成NiO-YSZ复合粉体的最佳pH值为8.5,粉体呈泡沫状团聚,NiO的平均晶粒粒径为13nm,产率为94.5%。850℃时制备的单体SOEC在70%、80%和90%3种水蒸气含量的氢电极气氛下,电解池在1.5V的产氢速率分别为266、381和558N.mL/cm2.h。在850℃、90%水蒸气含量的氢电极气氛下,以0.33A/cm2恒流电解1h前、后的电解电压分别为1.09和1.16V,电解池具备较好的稳定性。 展开更多
关键词 高温水蒸气电解制氢 固体氧化物电解池 Ni-YSZ BSCF:SDC
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Coupling of Wind Energy and Biogas with a High Temperature Steam Electrolyser for Hydrogen and Methane Production
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作者 Nathalie Monnerie Martin Roeb +1 位作者 Anis Houaijia Christian Sattler 《Green and Sustainable Chemistry》 2014年第2期60-69,共10页
The production of environment friendly green fuels is based on energy from renewable sources. Among the renewable sources, wind power is a very growing power technology. An example which has been discussed very widely... The production of environment friendly green fuels is based on energy from renewable sources. Among the renewable sources, wind power is a very growing power technology. An example which has been discussed very widely is hydrogen which is an ideal fuel for a fuel cell. Hydrogen is the energy of the future. It will be used as energy carrier as well as reactant to produce green fuels, like methane which is easier to handle. Direct coupling of a High Temperature Steam Electrolyser (HTSE) with a wind turbine can be used to generate hydrogen. Indeed performing the electrolysis process at high temperatures offers the advantage of achieving higher efficiencies compared to the conventional water electrolysis. The hydrogen produced can be then reacted with the CO2 content of biogas to form methane as green fuel. Thus, the concept presented in this paper illustrates the potential of the HTSE technology coupled with a wind turbine, this system being combined with biogas in a methanation unit. Developing scenarios and flow sheets and using mass and energy balance, the technical performance of the concept is investigated. A plant capacity of 10 MWel is considered. An annual production of 1104 metric tons per year (Mt/a) hydrogen and thus of 5888 Mt/a methane is reached. The overall plant efficiency is calculated to be 38%. The combination of wind power and biogas offers thus many advantages which can facilitate the penetration of the wind resource and the progression to the hydrogen economy. 展开更多
关键词 HYDROGEN METHANE high temperature steam electrolysis Wind Energy BIOGAS
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Methane Production via High Temperature Steam Electrolyser from Renewable Wind Energy: A German Study
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作者 Nathalie Monnerie Anis Houaijia +1 位作者 Martin Roeb Christian Sattler 《Green and Sustainable Chemistry》 2015年第2期70-80,共11页
The transformation of the energy supply needs further development of energy storage technologies in order to integrate the fluctuating renewable energy. The conversion of renewable wind power into green methane offers... The transformation of the energy supply needs further development of energy storage technologies in order to integrate the fluctuating renewable energy. The conversion of renewable wind power into green methane offers a technical approach with the necessary storage and transport capacities. Thus, the concept of Power-to-Gas which is illustrated here by the coupling of wind energy with a High Temperature Steam Electrolyser (HTSE) and a methanation unit enabling the production of green fuel like hydrogen and methane is presented is this paper. In fact, hydrogen can be used as energy carrier as well for the production of green fuels, like methane which is simpler to store and to transport and which can be thus used as storage medium for the stabilization of the electrical power supply as well as fuel for transport and heat sector. Its production using high temperature electrolysis is able to reduce the carbon dioxide emissions if performed with renewable resources. This is the case if the electricity needed for the HTSE comes from a wind turbine and the CO2 needed for the methanation step comes from biogas. For such a plant, the location and the boundary conditions have a great importance. Thus, this study considers the coupling of a HTSE with a wind turbine and a methanation reactor, and focuses about the site selection, depending of the geographical and economic considerations. The study is limited first to the European area. Schleswig-Holstein is found as a very good location for this plant. It is one of the regions with the largest wind reserves in Germany. This region has also available a lot of biogas and meets all the other necessary requirements. 展开更多
关键词 METHANE Hydrogen high temperature steam electrolysis Wind Energy BIOGAS
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Ni、Cu共浸渍的LSCM-GDC复合阴极性能研究
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作者 刘欣楠 肖彦之 +3 位作者 黄美琪 蒋菡 孔江榕 周涛 《硅酸盐通报》 CAS 北大核心 2022年第7期2458-2466,共9页
固体氧化物电解池可以清洁、高效地将电能和热能转化为化学能,在新能源领域具有广阔的应用前景。La_(0.75)Sr_(0.25)Cr_(0.5)Mn_(0.5)O_(3-δ)(LSCM)具有较好的高温稳定性,但离子电导率相对较低,在电解过程中电催化性能不足。本文将LSC... 固体氧化物电解池可以清洁、高效地将电能和热能转化为化学能,在新能源领域具有广阔的应用前景。La_(0.75)Sr_(0.25)Cr_(0.5)Mn_(0.5)O_(3-δ)(LSCM)具有较好的高温稳定性,但离子电导率相对较低,在电解过程中电催化性能不足。本文将LSCM与具有较高离子导电性的Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(2-δ)(GDC)复配构造复合电极,并以共负载的形式在复合电极中浸渍纳米Ni、Cu金属催化剂提高电极的水蒸气吸附和转化能力,Ni、Cu共负载能够同时保留单一Ni或Cu负载对电极电解机制的改善。结果表明,Ni、Cu共负载相比于单一Ni或Cu负载电极在还原性气氛下具有更高的电化学性能,在还原性气氛和800℃工作温度下,镍铜质量比2∶8的负载电极在-0.1 V过电位下的电流密度可达到2.36 A·cm^(-2),极化阻抗为0.92Ω·cm^(2)。 展开更多
关键词 固体氧化物电解池 阴极材料 LSCM LSCM-GDC复合电极 离子电导率 电化学性能 高温水蒸气电解 浸渍法
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固体氧化物电解池尺寸对其性能的影响 被引量:3
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作者 侯权 关成志 +2 位作者 肖国萍 王建强 朱志远 《核技术》 CAS CSCD 北大核心 2019年第3期39-47,共9页
固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell,SOEC)电堆是高温水蒸气电解(High Temperature Electrolysis System,HTSE)制氢系统的核心反应器,由多片单电池串联组装而成。单电池的尺寸制约着单位有效面积上SOEC电堆的电化学制氢性... 固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell,SOEC)电堆是高温水蒸气电解(High Temperature Electrolysis System,HTSE)制氢系统的核心反应器,由多片单电池串联组装而成。单电池的尺寸制约着单位有效面积上SOEC电堆的电化学制氢性能,进而影响着HTSE制氢装置的系统复杂程度和成本。基于计算流体力学软件建立了平板式SOEC电解池三维模型,采用平面尺寸为4 cm×4 cm、8 cm×8 cm和16 cm×16 cm的电解池,研究其尺寸对电解反应特性的影响。结果表明:工作电压低于热中性电压时,电解池尺寸对电解性能影响不大。当工作电压高于热中性电压时,电解池尺寸越大时电解电流密度越大;然而电解池中温度和电流密度分布的均匀性也会随着电解池的尺寸增大而变差,即产生明显的梯度分布。通过适当增大所通入的H_2O/H_2混合气体量即减小H_2O的整体反应比可以缓解由电解池尺寸的增大引起的温度和电流密度梯度分布。经过计算分析可知,对于有效面积为16 cm×16 cm的电解池,当反应物中水蒸气整体反应比为70%时,在1.34 V的电解电压下,电解电流密度可以达到8 033 A·m^(-2),且电解池中的温度和电流密度分布均匀性均有所改善。 展开更多
关键词 高温水蒸气电解制氢 固体氧化物电解池 电池尺寸 三维模型 计算流体动力学模拟
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