電解水制氫具有工藝簡(jiǎn)單、制氫純度高等優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)，理論效率可達(dá)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(yáng)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(kāi)空氣/氧氣和燃料氣體，并且傳導(dǎo)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(dǎo)和可忽略的電子電導(dǎo)。電極一般為多孔結(jié)構(gòu)，以增加電化學(xué)反應(yīng)的三相界面，并有利于氣體的擴(kuò)散和傳輸。此外，平板式的SOEC還需要密封材料，多個(gè)單體SOEC組成電堆還需要連接體材料。我國(guó)于2005年開(kāi)始啟動(dòng)核能高溫SOEC電解水制氫的研究，歐美地區(qū)較早開(kāi)展SOEC項(xiàng)目的研究。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，目前國(guó)際上普遍認(rèn)為，SOEC已經(jīng)進(jìn)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(duì)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(jìn)行，因而對(duì)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(kāi)發(fā)之中。
目前國(guó)內(nèi)各大研究所相繼開(kāi)展SOEC電解水制氫項(xiàng)目，基于試驗(yàn)成果開(kāi)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(shí)產(chǎn)權(quán)交易；中船718所牽頭申報(bào)的國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)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(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研究”獲批立項(xiàng)。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(diǎn)攻關(guān)專項(xiàng)。氫能的大規(guī)模利用已經(jīng)成為趨勢(shì)。目前，美國(guó)、日本、韓國(guó)、英國(guó)等國(guó)家相繼出臺(tái)國(guó)家級(jí)氫能戰(zhàn)略，氫能的發(fā)展已經(jīng)受到越來(lái)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(wèn)題，在選擇大規(guī)模制氫技術(shù)時(shí)，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(shì)，由于其在高溫下（700 ~ 900℃）下運(yùn)行，電解制氫效率可接近100%。SOEC的技術(shù)特點(diǎn)決定了它很適合與可同時(shí)提供電能和熱能的一次能源耦合，實(shí)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(dāng)反應(yīng)堆出口溫度高于800℃時(shí)，高溫水電解制氫總效率可達(dá)50%以上。2019年美國(guó)能源部的報(bào)告中，將基于SOEC的高溫電解技術(shù)與先進(jìn)核能（高溫堆）和太陽(yáng)能耦合列為未來(lái)的大規(guī)模制氫的發(fā)展方向之一。從長(zhǎng)期來(lái)說(shuō)，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(chǎng)主流技術(shù)之一。此外，SOEC的能量來(lái)源可以是核能、各種可再生能源或其他各種高溫?zé)嵩础；茉丛谙喈?dāng)一段時(shí)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(diǎn)，除了與先進(jìn)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(shí)現(xiàn)能源的清潔高效利用。
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2022-07-18
氫能觀察張贏332270
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