质子导体,是可以传导氢离子的固体电解质,也称为氢离子导体。
为应对能源危机、调整能源结构,清洁可再生的氢能源发展受到重视。电解水制氢,可利用具有间歇性特点的光伏、风能等新能源发电输出的电能,制备氢气进行存储,在用电高峰期,再以氢气为燃料,与氧气进行化学反应产生电能,提升电力系统供电稳定性,此外,氢气还可用作氢燃料电池汽车动力来源以及制备甲醇、合成氨、乙烯等化学品。
电解水制氢、氢与氧反应产生电这一循环,需要利用电解池、燃料电池来实现,而质子导体是质子传导型固体氧化物电解池(H-SOEC)、质子陶瓷燃料电池(PCFC)、可逆质子陶瓷电化学电池(R-PCEC)等一系列装备的电解质,具备不可或缺性。
质子导体通常采用陶瓷材料,一般制造成隔膜形式,即质子导体陶瓷膜,隔开阴极与阳极,并在二者之间进行质子(氢离子)传导。目前已经开发问世的质子导体材料主要有BaCeO3(铈酸钡)、SrCeO3(铈酸锶)、BZCY(钇掺杂锆铈酸钡)、BCZYYb(钡铈锆钇镱)等,以钙钛矿结构为主。这些材料各有优缺点,例如BaCeO3电导率高,但温度升高质子迁移数降低,SrCeO3质子迁移数较大,但质子传导率较低。
近年来,BZCYYb凭借质子传输性能优、化学稳定性好、长期稳定可靠等优点,作为质子导体受到关注。在我国,BZCYYb研究机构与布局企业主要有中国科学院宁波材料技术与工程研究所、桐乡华创三同科技发展有限公司等。
我国H-SOEC、PCFC、R-PCEC研究机构不断增多,主要有广东工业大学、南京理工大学、天津工业大学、华南理工大学、清华大学、广州大学科学研究院等,相关研究成果陆续问世,例如广东工业大学发表“质子导体固体氧化物电解池研究进展”论文,天津工业大学申请“一种微管式质子陶瓷燃料电池及其制备方法”专利等,利好质子导体行业发展。
新思界
行业分析人士表示,目前来看,我国H-SOEC、PCFC、R-PCEC等电解池、燃料电池,较多仍处于研发或者小规模试验阶段,大规模化商业化发展较为缓慢,质子导体研究开发难度大,多数产品尚未得到广泛应用。未来,我国质子导体研究仍需持续深入,为下游产品商业化发展奠定基础。