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SOEC高温电解制氢分析

   2022-07-18 氢能观察张赢20150
核心提示:电解水制氢具有工艺简单、制氢纯度高等优点。随着可再生能源逐步成为能源变革主流,制氢方式正在向电解水制氢靠拢。电解水制氢主要有三种方式,分别为碱性电解水制氢(AE)、质子交换膜电解水制氢(PEM)以及固体氧化物电解制氢(SOEC)。固体氧化物电解池可
电解水制氢具有工艺简单、制氢纯度高等优点。随着可再生能源逐步成为能源变革主流,制氢方式正在向电解水制氢靠拢。电解水制氢主要有三种方式,分别为碱性电解水制氢(AE)、质子交换膜电解水制氢(PEM)以及固体氧化物电解制氢(SOEC)。


固体氧化物电解池可在400-1000℃的温度下工作,具有能量转换效率高、不需要使用贵金属催化剂等优点,理论效率可达100%。

据了解,SOEC的组成结构与固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)基本相同。其核心组成包括:电解质、阳极(也称为氧电极)和阴极(也称为氢电极),中间是致密的电解质层,两边为多孔的氢电极和氧电极.电解质的主要作用是隔开空气/氧气和燃料气体,并且传导氧离子(如图所示)。


因此一般要求电解质致密且具有高的离子电导和可忽略的电子电导。电极一般为多孔结构,以增加电化学反应的三相界面,并有利于气体的扩散和传输。此外,平板式的SOEC还需要密封材料,多个单体SOEC组成电堆还需要连接体材料。

我国于2005年开始启动核能高温SOEC电解水制氢的研究,欧美地区较早开展SOEC项目的研究。经过数十年的发展,目前国际上普遍认为,SOEC已经进入规模示范应用阶段。但与AE制氢和PEM制氢相比,SOEC电解制氢技术目前还在有所欠缺。其中,对于关键材料的研发成为重中之重。SOEC电解制氢是在高温情况下进行,因而对于材料的要求程度较高。高性能、高稳定性的组件材料尚在开发之中。

目前国内各大研究所相继开展SOEC电解水制氢项目,基于试验成果开展大规模示范应用。上海应物所完成固体氧化物电解制氢相关专业技术的知识产权交易;中船718所牵头申报的国家重点专项项目“基于高温电解水制氢联合生物气高效制甲烷的大型储能关键技术研究”获批立项。此外,内蒙古、山东、广东等地区氢能产业发展规划中均将SOEC电解水制氢列入重点攻关专项。

氢能的大规模利用已经成为趋势。目前,美国、日本、韩国、英国等国家相继出台国家级氢能战略,氢能的发展已经受到越来越多的重视。氢能的大规模利用首先要解决氢的大规模制备问题,在选择大规模制氢技术时,能量转化效率的高低至关重要。SOEC在这方面具有显著的优势,由于其在高温下(700 ~ 900℃)下运行,电解制氢效率可接近100%。SOEC的技术特点决定了它很适合与可同时提供电能和热能的一次能源耦合,实现氢能的大规模高效制备。

研究表明,高温气冷堆是最适宜与高温水蒸气电解技术耦合的第四代反应堆型,当反应堆出口温度高于800℃时,高温水电解制氢总效率可达50%以上。2019年美国能源部的报告中,将基于SOEC的高温电解技术与先进核能(高温堆)和太阳能耦合列为未来的大规模制氢的发展方向之一。

从长期来说,碱性电解和PEM电解制氢成本将有望降至2.23元/Nm3和1.78元/Nm3,高温SOEC制氢成本可降至1.58元/Nm3,有望成为市场主流技术之一。此外,SOEC的能量来源可以是核能、各种可再生能源或其他各种高温热源。化石能源在相当一段时间内仍然是目前世界能源体系的主体,SOEC技术具有高效灵活的特点,除了与先进核能和可再生能源耦合,也可与目前发展的化石能源、传统化工结合,降低碳排放,实现能源的清洁高效利用。



 
标签: 制氢 SOEC
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