電解水制氫具有工藝簡單、制氫純度高等優(yōu)點。隨著可再生能源逐步成為能源變革主流，制氫方式正在向電解水制氫靠攏。電解水制氫主要有三種方式，分別為堿性電解水制氫（AE）、質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）以及固體氧化物電解制氫（SOEC）。
固體氧化物電解池可在400-1000℃的溫度下工作，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、不需要使用貴金屬催化劑等優(yōu)點，理論效率可達100%。
據(jù)了解，SOEC的組成結(jié)構(gòu)與固體氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell, SOFC）基本相同。其核心組成包括：電解質(zhì)、陽極（也稱為氧電極）和陰極（也稱為氫電極），中間是致密的電解質(zhì)層，兩邊為多孔的氫電極和氧電極.電解質(zhì)的主要作用是隔開空氣/氧氣和燃料氣體，并且傳導氧離子（如圖所示）。因此一般要求電解質(zhì)致密且具有高的離子電導和可忽略的電子電導。電極一般為多孔結(jié)構(gòu)，以增加電化學反應(yīng)的三相界面，并有利于氣體的擴散和傳輸。此外，平板式的SOEC還需要密封材料，多個單體SOEC組成電堆還需要連接體材料。我國于2005年開始啟動核能高溫SOEC電解水制氫的研究，歐美地區(qū)較早開展SOEC項目的研究。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前國際上普遍認為，SOEC已經(jīng)進入規(guī)模示范應(yīng)用階段。但與AE制氫和PEM制氫相比，SOEC電解制氫技術(shù)目前還在有所欠缺。其中，對于關(guān)鍵材料的研發(fā)成為重中之重。SOEC電解制氫是在高溫情況下進行，因而對于材料的要求程度較高。高性能、高穩(wěn)定性的組件材料尚在開發(fā)之中。
目前國內(nèi)各大研究所相繼開展SOEC電解水制氫項目，基于試驗成果開展大規(guī)模示范應(yīng)用。上海應(yīng)物所完成固體氧化物電解制氫相關(guān)專業(yè)技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)交易；中船718所牽頭申報的國家重點專項項目“基于高溫電解水制氫聯(lián)合生物氣高效制甲烷的大型儲能關(guān)鍵技術(shù)研究”獲批立項。此外，內(nèi)蒙古、山東、廣東等地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中均將SOEC電解水制氫列入重點攻關(guān)專項。氫能的大規(guī)模利用已經(jīng)成為趨勢。目前，美國、日本、韓國、英國等國家相繼出臺國家級氫能戰(zhàn)略，氫能的發(fā)展已經(jīng)受到越來越多的重視。氫能的大規(guī)模利用首先要解決氫的大規(guī)模制備問題，在選擇大規(guī)模制氫技術(shù)時，能量轉(zhuǎn)化效率的高低至關(guān)重要。SOEC在這方面具有顯著的優(yōu)勢，由于其在高溫下（700 ~ 900℃）下運行，電解制氫效率可接近100%。SOEC的技術(shù)特點決定了它很適合與可同時提供電能和熱能的一次能源耦合，實現(xiàn)氫能的大規(guī)模高效制備。研究表明，高溫氣冷堆是最適宜與高溫水蒸氣電解技術(shù)耦合的第四代反應(yīng)堆型，當反應(yīng)堆出口溫度高于800℃時，高溫水電解制氫總效率可達50%以上。2019年美國能源部的報告中，將基于SOEC的高溫電解技術(shù)與先進核能（高溫堆）和太陽能耦合列為未來的大規(guī)模制氫的發(fā)展方向之一。從長期來說，堿性電解和PEM電解制氫成本將有望降至2.23元/Nm3和1.78元/Nm3，高溫SOEC制氫成本可降至1.58元/Nm3，有望成為市場主流技術(shù)之一。此外，SOEC的能量來源可以是核能、各種可再生能源或其他各種高溫熱源。化石能源在相當一段時間內(nèi)仍然是目前世界能源體系的主體，SOEC技術(shù)具有高效靈活的特點，除了與先進核能和可再生能源耦合，也可與目前發(fā)展的化石能源、傳統(tǒng)化工結(jié)合，降低碳排放，實現(xiàn)能源的清潔高效利用。
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2022-07-18
氫能觀察張贏332300
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