▲第一作者：雷励斌;通讯作者：陈仿林

通讯单位：广东工业大学，南卡罗莱纳大学

论文DOI: 10.1002/adfm.{attr}2111{/attr}03805

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近日，广东工业大学智慧能源研究中心的雷励斌特聘副教授在《Advanced Functional Materials》上发表题为“Progress Report on Pro{attr}2148{/attr}n Conducting Solid Oxide Electrolysis Cells”综述型论文。这篇综述总结了近几年H-SOECs的研究进展，从材料、模型和质子导体中的泄漏电流这三方面开展广泛而且深入的讨论，最后指出H-SOECs发展面临的一些挑战。

背景介绍

质子导体固体氧化物电解池（proton conducting solid oxide electrolysis cells，H-SOECs）是一种以质子导体氧化物为电解质材料的先进电化学能量转化装置，可利用可再生能源产生的电能和热能，以水蒸气为原料，高效电解水制备氢气，有潜力实现大规模制氢和电能存储。

研究出发点

质子导体固体氧化物电解池（proton conducting solid oxide electrolysis cells，H-SOECs）是一种以质子导体氧化物为电解质材料的先进电化学能量转化装置，可利用可再生能源产生的电能和热能，以水蒸气为原料，高效电解水制备氢气，有潜力实现大规模制氢和电能存储。由于 H-SOECs 具有能量转化效率高和环境友好等优点，最近几年其吸引了越来越多研究者的关注。

针对 H-SOECs 近几年研究发展的一些问题，雷励斌博士（第一作者）与清华大学的张纪豪博士后、天津理工大学的袁志好教授、广东工业大学的刘建平教授、香港理工大学的倪萌教授和美国南卡罗莱纳大学的陈仿林教授（通讯作者）合作，撰写了关于 H-SOECs 的这篇综述型文章。

这篇综述总结了近几年 H-SOECs 的研究进展，从材料、模型和质子导体中的泄漏电流这三方面开展广泛而且深入的讨论，最后指出 H-SOECs 发展面临的一些挑战。特别需要强调的是，质子导体中的泄漏电流经常被研究者忽略，其会导致两个问题。第一问题是交流阻抗谱图的变形，使表观的欧姆电阻和极化电阻并不能反应真实值；第二个问题是电解法拉第效率的降低，使系统的能量效率降低。

图文解析

1. 与氧离子导体固体氧化物电解池（O-SOEC）作比较，H-SOEC 具有一些独特的优势。第一个优势是：在 H-SOEC 中，水蒸气是通入空气电极侧而不是燃料电极侧，因此可以在燃料电极侧直接获取干燥的氢气，而不需要干燥过程，这可以简化系统和节省运行成本。第二个优势是：对比氧离子导体，质子导体具有更高的离子电导率和更低的活化能，因此 H-SOEC 的工作温度（673K-973K）是低于 O-SOEC 的（973K-1273K），降低工作温度有利于提高电解池的整体稳定性，减轻由于高温而引起的稳定性问题（如：电极的烧结和铬中毒）。第三个优势是：在较低的工作温度下，一些较为廉价的材料可以用于电解池堆的封装和连接部件，从而降低了系统的制备成本。

2. 在氧化性气氛中，质子导体中存在着电子空穴，一定数量电子空穴缺陷的存在使质子导体材料拥有不可忽略的电子电导率，导致了在 H-SOEC 的电解质层中发生短路，使H-SOECs 的阻抗谱变形，表观的欧姆电阻和极化电阻并不能反应真实值。因此，必须构建包含了电子电阻（Re）的模拟电路（如图a 所示），用于对阻抗谱进行校正。

3. H-SOEC 的电解质层中发生短路导致的第二个问题是电解法拉第效率的降低。电解的法拉第效率直接影响到电解池系统的能量效率，法拉第效率的降低会导致系统能量效率的降低。从下图可以看到：电解的法拉第效率随着电解电流的增大而偏离理论值，说明了工作电流（电压）对电解的法拉第效率有显著的影响。

总结与展望

H-SOECs 是一种具有发展前景的制氢存能技术。目前，H-SOECs 的发展还处在实验室阶段，其后续的发展还需要解决一系列的科学问题，例如：提高电解质材料的电导率、提高电解的法拉第效率和改善空气电极材料的稳定性和电化学性能等。