[发明专利]可实现复杂场景下氢气纯化的对称陶瓷氢泵及其制备方法

说明书

本发明公开一种可实现复杂场景下氢气纯化的陶瓷氢泵，所述陶瓷氢泵具有对称结构，从左到右依次包括：第一多孔电极支撑层、致密电解质层和第二多孔电极支撑层；所述致密电解质层的组分为质子导体，所述质子导体为AB_1‑xM_xO_3‑δ1、Ln₂B_2‑xM_xO_7‑δ1、A₂In_2‑yD_yO_5+δ1以及Ln_6‑zW_1‑iMo_iO_12‑δ2的一种或几种形成的复合物；所述多孔电极支撑层的组分包括质子导体和具有催化性能的电子导体；所述质子导体的质子迁移数接近1，氧离子迁移数接近0，电子迁移数接近0；所述多孔电极支撑层的电子导体的电子电导率10 S/cm，质子导体材料与电解质层相同。本发明降低了体相质子传输的阻力，降低了气体扩散的阻力，且降低了电化学反应的能垒。

技术领域

本发明涉及一种用于复杂场景中氢分离的对称陶瓷氢泵，尤其涉及一种电化学氢能领域。

背景技术

氢作为一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介，也是实现交通运输、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择。氢能及燃料电池逐步成为全球能源技术革命的重要方向。

目前，氢的制取产业主要有以下三种较为成熟的技术路线：一是以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢；二是以焦炉尾气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢；三是电解水制氢，年制取氢气规模占比约3%。生物质直接制氢和太阳能光催化分解水制氢等技术路线仍处于实验开发阶段，产收率有待进一步提升，尚未达到工业规模制氢要求。

目前工业上大规模应用的制氢方式集中于化石能源重整制氢和工业副产气制氢，但是这两种制氢方式制备出来的氢气都含有大量的杂质气体，如10%~20%CH₄，2%~5%CO₂，5%~9%CO，2%~6%H₂S等，因此，为满足实际的应用需求，需要进一步的分离提纯。当前大规模应用的分离提纯技术为变压吸附（PSA），但是该技术由于自身特性存在着一些缺点，例如只能应用于较高氢浓度（不低于50%）的场景中，而且氢气的回收利用率比较低（~20%）。

陶瓷膜分离技术作为一种相对较新、发展较快的技术，与传统的分离技术相比在节能、低成本、环保等方面显示出固有的优势。此外，膜分离技术可以很容易地与其他分离技术相结合以提高分离过程的效率和经济性。陶瓷氢分离膜又分为混合质子-电子导体透氢膜、混合氧离子-电子导体透氧膜以及质子导体陶瓷膜氢泵，其中混合质子-电子导体透氢膜的研究较为广泛，如参见CN107096394A、CN101585703A、CN109133919A等，这些研究均取得了一定的成效。但由于混合质子-电子导体透氢膜的驱动力为膜两侧的氢分压差，因此它们均只能用于较高浓度的氢混合气中的氢分离提纯，且氢分离速率均低于1mL·cm^-2·min^-1，此外这些研究的应用场景均为氢气-惰性气体（如氮气、氩气、氦气等），不适用于重整制氢或工业副产氢尾气中的氢气提纯；混合氧离子-电子导体透氧膜用于氢分离提纯的研究较为罕见，仅CN108117389A和CN109836153A中有过报道，虽然其氢分离速率较高，但其需要借助于高温水分解的方式来实现混合气体中的“氢分离”，能否适用于实际的工业应用场景还有待验证。