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固体氧化物电解槽 (SOEC)技术生产企业有哪些?

   2023-11-15 国际能源网/氢能汇13660
核心提示:SOEC电解水制氢技术最大的优势是电耗低,相较碱槽和PEM节电近30%,适合产生高温、高压蒸汽的光热发电系统

在电解水制氢领域,目前主流的技术路线有4种,分别是碱性(ALK)、质子交换膜(PEM)、阴离子交换膜(AEM)和固体氧化物(SOEC)。

其中,SOEC电解水制氢技术最大的优势是电耗低,相较碱槽和PEM节电近30%,适合产生高温、高压蒸汽的光热发电系统。

技术原理

SOEC可以可逆地运行,实现电能和化学能之间的高效循环转换,并提供长期和大容量的储能。在燃料电池模式操作中,电是通过氧化燃料产生的。在SOEC模式下,电力产生H2、合成气等。

正在开发直接生产除绿色 H2以外的特种化学品和商业化学品。例如,可以使用高温 SOEC 通过H2O 和 O 2的共电解生产合成气。然后,合成气可以通过随后的具有不同 H2 : CO 比率的催化反应转化为多种化学品。SOEC 还能够将 CO2分解为 CO 和 O2。将空气和蒸汽送入电解槽的 SOEC 氨生产正在开发中,目前产量非常低。然而,氨可以在 SOFC 模式下用作燃料用于海洋应用——这也在开发中。这种操作的多功能性使 SOEC 优于其他电解操作模式。

固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解电池(SOEC)的电化学反应,SOEC 从根本上说是固体氧化物燃料电池 (SOFC) 的反向对应物。

SOEC H2生产系统的典型流程图如图2所示。该系统旨在通过使用电和水来生产H2。该系统的主要组件包括串联的 SOEC 堆栈和平衡装置 (BOP)。BOP 包括水泵、热交换器、蒸汽发生器等。水在一系列热交换器中被加热,以从 SOEC 出口气流中回收热量。预热水被引入蒸汽发生器产生蒸汽,然后进入电加热器使蒸汽过热。为了最大限度地减少电力需求并提高 SOEC 系统效率,蒸汽在多个热交换器中通过排出的 H2和氧气流进行加热。在外部蒸汽可用的情况下,图2中所示的方案可以进一步优化。

SOEC电解水厂典型方案

在电解槽中,蒸汽在 650°C–1,000°C 的温度下在阴极分解,形成 H2分子和氧离子(水还原反应)。氧离子从阴极迁移到阳极,释放电子到外电路,通过析氧反应变成氧气。高温热激活氧化物离子迁移并促进两个电极上的电化学反应,提高了整体效率。

阴极反应:在 H2电极-电解质界面,蒸汽分解为 H2和氧离子(式 1):

2 H2O + 4 e –→ 2 H2 + 2 O2– (1)

阳极反应:氧离子通过陶瓷电解质,在电解质-氧电极界面处被吸入,并产生氧气(方程式 2):

2 O2– → O 2 + 4 e – (2)

然后氧气沿着阳极流动,而 H2与一些蒸汽混合物一起沿着电解质另一侧的H2电极流动。在电解槽下游,富含 H2的产品流在与入口流进行热交换后被冷却,然后通过分离器将 H2从冷凝水流中分离出来。

SOEC 使用固体离子传导陶瓷作为电解质,能够在明显更高的温度下运行。潜在优势包括电效率高、材料成本低以及可选择以燃料电池的反向模式或共电解模式将水蒸汽 (H2O) 和 CO2 生产合成气 [一氧化碳 (CO)和H2 ] 。

一个关键的挑战是由于高工作温度导致严重的材料降解。目前的研究重点是稳定现有的组件材料、开发新材料以及将工作温度降低至 500°C–700°C(从 650°C–1,000°C),以实现该技术的商业化。

SOEC 的运行效率很高,尤其是在使用高温废热的情况下。水的电化学转化允许以产生 H2的形式储存热量和电力。SOECs生产的绿色H2可以进一步加工成合成天然气、甲醇、绿色氨等,并与广泛的放热化学合成热集成,从而进一步提高效率。热集成也可以与核反应堆、燃煤发电厂、生物质、生活垃圾焚烧炉等能源结合使用。

国内企业有哪些?

1、北京质子动力

北京质子动力发电技术有限公司(简称“质子动力”)由“国家特聘”专家、巴黎高等矿院博士陈国飞,和江苏省双创人才、横滨国立大学博士、中国矿业大学博士生导师王绍荣教授共同领衔创立。质子动力聚焦高温电解制氢(SOEC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)领域,同时布局SOEC/SOFC电池片、电堆、系统的研发及产业化。

团队深度掌握了SOFC 20x20cm2单电池片技术及5kW单电堆技术、SOEC专用电池片及电堆技术、SOEC/SOFC可逆电堆技术。拥有多个SOFC/SOEC示范系统打造经验,与国家电网、中广核、中石油、东方电气、大唐集团等多个央企开展了科技项目和示范项目合作。

公司四地布局:北京为总部;青岛子公司,承担上游SOEC/SOFC电池片及电堆研发、生产以及能源路由器和制氢电源的研发生产职能;徐州子公司,承担下游SOEC/SOFC大功率系统研发及生产职能;宁夏子公司承担项目示范基地及市场销售职能。

到2023年年底,质子动力将有5套SOEC制氢系统示范项目验收、投运。产业化方面,公司已经在青岛落地了SOEC电池片及单电堆生产线,一期设计产能MW级/年,二期设计产能10MW级/年。

2、国家电网

高效氢储能SOEC/SOFC可逆电池堆。氢储能兼具长时、长周期、大容量、衰减小等诸多优势,SOEC-SOFC是效率最高的“电氢电”氢储能技术路线,发展可逆运行固体氧化物(ReSOC)系统是降低氢储能系统投资和运行成本的重要途径。质子动力开展可逆运行固体氧化物电池堆(ReSOC)研究,研制千瓦级ReSOC电堆,可实现1套可逆系统替代原来1套SOEC+1套SOFC的功能,简化系统、降低投资、提高设备的利用率,降低氢储能成本。项目成果将投运于宁夏电力公司。

3、上海翌晶氢能

4月25日,翌晶氢能研发的国内首条固体氧化物电解水制氢(SOEC)电堆自动化产线正式下线,年产能可达100兆瓦,可兼容多型号电堆生产。

2023年5月12日,武威翌氢红沙岗可再生能源制氢及35kV绿电专线送变电工程、武威翌晶绿氢装备制造产业基地项目开工建设。其中,该项目总投资9800万元,预计2023年10月建成投产,投产后,预计年销售额可达3500万元。该项目是甘肃省首个全绿电制氢项目及首条绿电制氢专线。翌晶绿氢装备制造产业基地项目规划建设年产500MW电解水制氢装备制造工厂,预计于2024年5月建成投产,总投资约1.05亿元。

2023年5月25日,辽宁营口市老边区政府与翌晶能源在上海嘉定签署《辽宁营口500MW风光氢储一体化示范项目》,拟定风电装机容量300MW、光伏装机容量200MW、电解制氢建设规模20000Nm3/h,年产绿氢1万吨,副产高纯氧气8万吨。

4、壹石通

9月19日,上市公司壹石通公告,安徽壹石通材料科技股份有限公司(简称“壹石通”)计划由全资子公司—安徽壹石通材料科学研究院有限公司(简称“壹石通研究院”)作为实施主体,预计总投资12.1亿元建设年产1GW固体氧化物能源系统项目。

这个项目的选址位于合肥高新技术产业开发区,建设周期为3年。项目建成达产后,将形成年产1GW固体氧化物能源系统的生产规模,包含固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解池(SOEC)产品。

壹石通方面表示,基于在先进无机非金属材料和陶瓷材料领域长期积累的技术优势,并依托公司科学家团队深厚的基础理论研究成果,目前已掌握固体氧化物电池(SOC)电解质、阳极粉体、高性能阴极粉体的规模化和低成本制备能力,形成了燃料极活性粉体制备技术及应用该粉体制备高性能燃料极催化功能层的方法、高性能电解质制备技术及相关应用、空气极活性粉体的制备技术、SOFC平板单电池工程化制备技术和SOFC平板电池堆高温气密封接技术等关键技术。

5、中广核集团

继一期2kW SOEC项目验收投运后,公司继续联合中广核开展25kW SOEC科技项目,研发的SOEC专用电堆单堆功率不低于3.5kW,并开展电堆长时运行性能测试。另外,质子动力还针对25kW SOEC制氢系统研制分布式光伏离网制氢能源路由器,以保证在波动性可再生能源供电时制氢系统的安全性和稳定性。

6、中石油

kW级SOFC热电联供系统。开发了以天然气为燃料的热电联供系统,在供热的同时,实现了高温蒸汽和热水的生产,尾气二氧化碳的浓度超过50%,方便后续碳捕集。项目成果——kW级SOFC热电联产系统开车成功并稳定运行超过1000小时。系统发电效率≥40%、高温蒸汽效率≥25%、热电综合效率≥80%。

7、思伟特

北京思伟特新能源科技有限公司(简称“思伟特”)是一家专注于固体氧化物电解池(SOEC)制氢系统研发及产业化的高新技术企业。

公司创始人清华大学教授胡浩然博士(CEO),拥有美国麻省理工学院(MIT)博士学位,曾在美国伊顿公司、卡特彼勒公司、底特律柴油机公司等任首席科学家和高级工程经理职位,2014-2020年任潍柴动力副总裁兼首席技术官。有超过15年的固体氧化物燃料电池(SOEC/SOFC)研发经验。

北京思伟特已经开发出3kW的SOEC系统,10kW SOEC系统已经完成组装。专利方面,公司在单电池、电堆、系统等层面已获得6项发明专利。项目方面,其在北京、张家口、内蒙古等城市,已经筹备建设了SOEC制氢及共电解二氧化碳示范应用项目。

8、上海氢程科技

上海氢程科技有限公司的技术来源为中国科学院上海应用物理研究所(简称“上海应物所”)。自2010年起,中科院上海应物所就布局了固体氧化物电解制氢技术研发工作,集中力量进行高温制氢关键核心技术开发。形成了完整的1kW、5kW、20kW和200kW核能高温电解制氢技术并具有自主知识产权,成果成功实现了转化,成立上海氢程科技有限公司进行后续商业化发展。中科院上海应物所以其投资平台“上海日环科技投资有限公司”持有氢程科技约20%的股份。

2023年2月26日,由中国科学院上海应用物理研究所承担研制的200kW级高温固体氧化物电解水(SOEC)制氢验证装置一次开车成功,制氢功率达到202kW,制氢速率达到64Nm3/h,直流电耗为3.16kWh/Nm3·H2。

9、浙江氢邦科技

浙江氢邦(H2-Bank)科技有限公司,2019年由中国科学院宁波材料技术与工程研究所燃料电池研究团队孵化成立;天使轮融资数千万元,由上市公司东睦新材料科技有限公司和北京中科创星硬科技投资有限公司投资。

公司专注于氢能与燃料电池核心技术SOFC电堆研发与工程化制造。2021年,H2-Bank入选第一批宁波市科技型中小企业、第五批国家科技型中小企业。2022年,荣获第11届中国创新创业大赛优秀企业奖,获批高新技术企业。

浙江氢邦建成了MW级电池与电堆制造试验线,成功研发了5kW级电解堆,在央企开展了若干示范,实现了出口销售。正在开发20kW级SOEC电解水制氢系统。

2023年5月氢邦科技与宁波材料技术与工程研究所联合研制的5kW固体氧化物电池CO?电解合成燃料综合系统成功交付。

10、派瑞氢能

中船(邯郸)派瑞氢能科技有限公司是中国船舶集团718研究所全资子公司,位于河北邯郸。主要从事高能化学、制氢及氢能源的开发利用。

作为国内氢能领域的领军企业,718所(派瑞氢能)拥有完备的电解水制氢、甲醇制氢、富氢尾气提氢、燃料电池汽车车载氢系统、加氢站等产品和服务体系。公司主要从事 PEM 制氢装置,制氢设备是718所支柱产业之一,现已形成 KZDQ、XCDQ 等八大系列,20 多种规格、产气量 0.5Nm?/h~1500Nm?/h 的系列水电解制氢装置。

2021年,中国船舶集团718研究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。

11、武汉华科福赛

武汉华科福赛新能源有限责任公司 (简称“华科福赛”)是一家专业从事固体氧化物燃料电池SOFC发电系统、固体氧化物电解池SOEC研发的高科技企业。

华中科技大学材料科学与工程学院燃料电池研究中心始建于2004年,经过10余年的发展,开发了国内第一台SOFC独立发电系统。2016年,为加快固体氧化物燃料电池市场化进程,华科福赛在武汉成立。

截止2022年5月,公司研发的15×15c㎡单电池SOEC稳定运行时间已超过1040小时;在800℃工作温度下,最大电解功率达到831瓦,最大电解效率高于97%,每立方米产氢电耗在2.86—3.35度之间,稳定运行电解功率高于600瓦。

公司在四川南充在建设生产基地,一期投资2.5亿元、年产20MW-40MW的SOFC发电系统,预计2024年4月投产。

12、上海中弗新能源

中弗新能源科技股份有限公司是集固体氧化物燃料电池(SOFC)发电技术及固体氧化物电解池(SOEC)制氢技术的研发制造为一体的国家级高新技术企业。

来源:艾邦氢科技网、氢能汇

 
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