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高溫固體氧化物電解水制氫(SOEC）是指在高溫下將電能和熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程。目前發(fā)展的SOEC按照電解質(zhì)載流子的不同，可分為氧離子傳導(dǎo)型SOEC和質(zhì)子傳導(dǎo)型SOEC。近年來(lái)也有研究報(bào)道采用氧離子和質(zhì)子共傳導(dǎo)材料作為電解質(zhì)的SOEC，即混合電導(dǎo)SOEC，但目前研究較多和發(fā)展更為成熟的是氧離子傳導(dǎo)型SOEC。
圖源Topsoe
SOEC電解系統(tǒng)的最基本組成單元是SOEC電解池，多個(gè)電解池組裝在一起成為SOEC電堆。多個(gè)電堆和氣體處理系統(tǒng)、氣體輸送系統(tǒng)一起可以組合成SOEC電解模塊。
高溫固體氧化物電解水制氫技術(shù)電解池由電解質(zhì)、陰極和陽(yáng)極等核心部分組裝而成。中間是致密的電解質(zhì)層，兩邊為多孔的氫電極和氧電極。以氧離子傳導(dǎo)型SOEC為例，較高溫度下（700-900℃）,在SOEC兩側(cè)電極上施加一定的直流電壓，H2O在陰極被還原分解產(chǎn)生H2和O2-，O2- 穿過(guò)致密的固體氧化物電解質(zhì)層到達(dá)陽(yáng)極，失去電子生成O2。
圖??固體氧化物電解池組成，來(lái)源《電化學(xué)》
SOEC電解水制氫電解池主要組成部分
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主要組成 |
主要作用 |
材質(zhì) |
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電解質(zhì) |
將陰極產(chǎn)生的氧離子傳導(dǎo)至陽(yáng)極，阻隔電子電導(dǎo)，并防止陰陽(yáng)極產(chǎn)生的氫氣和氧氣接觸 |
通常選用導(dǎo)電陶瓷材料。800-1000C?常用有穩(wěn)和定的氧化錯(cuò)(YSZ) ?銳穩(wěn)定的氧化錯(cuò)ScsZ);600-800C常用鰓嫁鎂(LSGM)影摻雜的氧化鋪(SDC)和亂摻雜的氧化鋪(GDC) |
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陰極 |
原料水分解的場(chǎng)所，提供電子傳輸通道 |
通常選用金屬陶瓷復(fù)合材料，如鎳、鉆、鉑、等金屬 |
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陽(yáng)極 |
通常選用金屬陶瓷復(fù)合材料，如鎳、鉆、鉑、等金屬 |
常用鈣鐵礦氧化物，摻雜的酸?(LSM)最具代表性 |
SOEC電解水制氫技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是電耗低，適合產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽的光熱發(fā)電系統(tǒng)。但由于對(duì)陰陽(yáng)極材料的特性要求較高，使得材料的成本大大增加，因此商業(yè)化應(yīng)用受到限制。
另外，SOEC可以在電解池和燃料電池 (SOFC) 模式之間靈活切換。因其反應(yīng)可逆，用作高效產(chǎn)氫或電化學(xué)儲(chǔ)能裝置, 將電能高效轉(zhuǎn)化為化學(xué)能 (氫能), 也可在燃料電池模式下運(yùn)行, 通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)得到電能。
高溫固體氧化物電解水技術(shù)總體產(chǎn)業(yè)化程度不高，推出的商業(yè)化產(chǎn)品較少，仍處于研發(fā)階段。國(guó)外企業(yè)主要包括德國(guó)Sunfire公司和美國(guó)Bloom Energy公司等。國(guó)內(nèi)目前尚處于研發(fā)示范階段，濰柴動(dòng)力、中廣核、東方鍋爐、國(guó)家能源集團(tuán)、北京低碳院、浙江氫邦、寧波索福人、新奧集團(tuán)、潮州三環(huán)、華清能源、武漢華科福賽、浙江臻泰能源、佛山索弗克、中博源儀征新能源、中弗新能源等企業(yè)正積極布局SOEC制氫。
由于在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)于熱能的需求更大，國(guó)內(nèi)外SOEC示范項(xiàng)目主要集中于熱能資源豐富或廢熱較多的地區(qū)，如鋼鐵治煉工廠、化工合成工廠或者核能發(fā)電工廠，這些是未來(lái)SOEC的主要應(yīng)用場(chǎng)景。
來(lái)源：華安證券、能景研究、艾邦綜合整理
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氫科技網(wǎng)）：SOEC電解水制氫技術(shù)及現(xiàn)狀分析
