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发布者：zq1229 发布时间：2023/5/10 11:27:44 阅读：233次 【字体：大 中 小】 |
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SOEC电解技术
关键词：碱性电解（AWE）、质子交换膜电解（PEM）、阴离交换膜电解槽（AEM）、固体氧化物电解（SOEC）
描述：固体氧化物电解池核心组成包括：电解质、阳极和阴极。中间是致密的电解质层，两边为多孔的氢电极和氧电极。
电解水制氢技术主要有4种，碱性电解（ALK/AWE）、质子交换膜（PEM）、阴离子交换膜（AEM）以及固体氧化物（SOEC）。
最成熟的技术是碱性电解（AWE），但其效率低、安全隐患大；
质子交换膜电解（PEM）对电源的波动适应性强，但造价高；
阴离交换膜电解槽（AEM）也被认为是重要的技术路径之一，但目前离子膜、催化剂等核心材料仍很难取得突破；
固体氧化物电解（SOEC）虽尚未投入大规模应用但具有高效率、可逆、适应性广等优势，有望成为市场主流技术之一。
SOEC技术原理：离子和质子的传导均可
SOEC可分为氧离子传导型SOEC和质子传导型SOEC。采用氧离子和质子共传导材料作为电解质的SOEC，即混合电导SOEC，目前研究较多和发展更为成熟的是氧离子传导型SOEC。
固体氧化物电解池核心组成包括：电解质、阳极和阴极。中间是致密的电解质层，两边为多孔的氢电极和氧电极。以氧离子传导型SOEC为例，较高温度下（700-900oC）,在SOEC两侧电极上施加一定的直流电压，H2O在阴极被还原分解产生H2和O2-，O2- 穿过致密的固体氧化物电解质层到达阳极，失去电子生成O2。见图1。
0SOEC技术优劣势：高效、可逆，但寿命尚需提升
1效率
固体氧化物电解槽运行温度为700~900摄氏度，高温下的电化学过程使得电解反应在热力学和动力学方面比低温电解更具优势。研究结果表明，随着工作温度、发电效率、电解效率及热效率的提高, 与高温气冷堆耦合的高温电解制氢系统效率由500 ℃的34%提高至1000℃的59%。由于实际高温电解制氢系统运行温度一般为700 ~ 900 ℃，高温气冷堆耦合的高温电解制氢系统制氢效率范围为45% ~ 55%，远高于常规碱性电解制氢效率 (~ 27%)。此外，优质的SOEC电解槽即使是全部通过电力产生热和电解，在综合的能量系统管理下，其综合能耗也低于常规碱性电解槽（综合耗电量约为4度电左右）。
2：可逆性
SOEC可以在电解池和燃料电池 (SOFC) 模式之间灵活切换。因其反应可逆，用作高效产氢或电化学储能装置, 将电能高效转化为化学能 (氢能), 也可在燃料电池模式下运行, 通过电化学反应得到电能。
3：适应性广
SOEC在业界中的共识中是一个反应器，可以共同电解水和二氧化碳，生成合成气（H₂和CO），可进一步生产合成燃料，如柴油，航空燃油，因此SOEC技术有望应用于二氧化碳回收、燃料生产和化学和成品。这将对未来实现双碳目标有很大的推动作用。下
4：应用场景多样
SOEC 的核心部件为固体氧化物陶瓷材料和不锈钢材料, 具有较强的机械稳定性和环境适应性, 且不使用贵金属催化剂，材料成本低廉。加之模块化的组装方式可使得它可以根据需要灵活调整产氢规模用于多种场合。
劣势：长期运行性能衰减
高温下运行给SOEC带来了热力学和动力学上的优势，但也使SOEC性能衰减得更快。目前SOEC的衰减速率要显著高于相同组成运行的SOFC。目前实验室运行数据基本不超过5000小时。
高温运行下，SOEC的材料组成和结构变化是其衰减的核心原因。高温高湿环境下，氢电极和氧电极都会产生不同程度的衰减，其中氧电极的衰减是影响使用寿命的主要原因。
其次在SOEC运行及控制方面，当工作电压高于热中性电压时，电堆处于放热模式，产生加热效应，电堆内部温度高于外部温度，产生较大的温度梯度，容易导致电堆性能的衰减。
03 材料和系统控制均有待突破
在电解质方面：
基于氧化锆基的电解质材料是目前SOEC电解制氢的首要选择。电解质部分优化的主要研究方向侧重于电解质的薄膜化技术。制备更薄、稳定性更好的电解质层，可以进一步减少电解的欧姆损失, 大幅度地提升电解制氢性能, 对于推进该技术的尽快实用化和降低成本具有重要意义。
电极材料方面：
认为高温高湿的环境对氢电极侧材料稳定性的影响更大。目前氢电极常用的Ni/YSZ 电极材料可在 SOEC 模式下长期稳定运行。但当其运行环境不能长期保持还原性(或惰性)气氛时,氢电极的结构会被破坏,从而导致性能的衰减。目前已经有大量旨在替代现有Ni/YSZ氢电极的研究,主要研究方向是具有混合离子-电子电导的钙钛矿类材料。但是目前已经实现商业化应用的SOEC氢电极还是以Ni/YSZ材料为主。
在阴阳极反应方面：
SOEC 电解水制氢涉及两个重要的基本反应, 即阴极水的还原和阳极氧的析出。其中制约电解性能的关键是阳极上所发生的氧析出反应。氧电极 (阳极)相对于氢电极(阴极)有更大的过电位需求,是主要的极化损失来源。如何对氧电极进行有效活化,以降低极化损失,是国际热点问题。
在系统控制技术方面：
在SOEC系统中，为防止电极材料在高温高湿条件下被氧化，需要对SOEC系统中的水蒸气含量进行稳定控制。其传输、控制和测量需要专门的设备，且需要设置多个监测点在线随时控制和调整温度、压力、气体流量等多个参数，因此SOEC制氢系统需要较高的系统控制技术。
4 SOEC制氢商业化现状：
目前SOEC产业仍处发展早期，但目前仍存在着商业化程度较低、产业链不完成，部分环节技术成熟度低，企业参与度低，成本高、规模应用示范较为缺乏，实际运行数据相对较少.
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