技术热点丨电解制氢与氢储能( 五 ) _电解制氢

从提高能效的角度，以固体氧化物电解质的固体氧化物水电解技术（SOEC）采用固体氧化物作为电解质材料，可在400~1000℃高温下工作，可以利用热量进行电氢转换，具有能量转化效率高且不需要使用贵金属催化剂等优点，因而效率可达100% 。
日本的三菱重工、东芝、京瓷等公司的研究团队对SOEC的电极、电解质、连接体等材料和部件等方面开展了研究。美国Idaho国家实验室、BloomEnergy、丹麦托普索燃料电池公司、韩国能源研究所以及欧盟Relhy高温电解技术发展项目，也对SOEC技术开展了研究，研究方向也由电解池材料研究逐渐转向电解池堆和系统集成。美国Idaho国家实验室的项目SOEC电堆功率达到15kW，采用CO2+H2O共电解制备合成气。美国Idaho国家实验室与Ceramatec公司合作，实现了运行温度在650~800℃范围内产物CO和H2的定量调控；他们还将电解产物直接通入300℃含有Ni催化剂的甲烷化反应器，获得了40%~50%（vol）的甲烷燃料，证实了CO2/H2O共电解制备烃类燃料的可行性。
德国Sunfire公司在2017年推出初期产品，在加氢站进行示范。国内的中国科学院大连化学物理研究所、清华大学、中国科技大学在固体氧化物燃料电池研究的基础上，开展了SOEC的探索。SOEC对材料要求比较苛刻。在电解的高温高湿条件下，常用的Ni/YSZ氢电极中Ni容易被氧化而失去活性，其性能衰减机理和微观结构调控还需要进一步研究。常规材料的氧电极在电解模式下存在严重的阳极极化和易发生脱层，氧电极电压损失也远高于氢电极和电解质的损失，因此需要开发新材料和新氧电极以降低极化损失。其次，在电堆集成方面，需要解决在SOEC高温高湿条件下玻璃或玻璃–陶瓷密封材料的寿命显著降低的问题。若在这些问题上有重大突破，则SOEC有望成为未来高效制氢的重要途径。量将减少约6×109 t，为限制全球变暖的2℃目标贡献20%的力量。国际氢能理事会预计，到2050年，氢的年需求量可能增加10倍，达到接近80EJ（8×10 19J）。
氢储能技术可以实现季节性的储能。现有的工业化碱液电解技术在解决近期可再生能源的消纳中便于快速应用，PEM水电解技术替代碱液水电技术是发展趋势。世界上发达国家先进的PEM电解水制氢产品正在向适应储能的规模化发展，逐渐替代碱液水电解，并呈现在全球可再生能源领域扩张的趋势。
2016年以来，国家发展和改革委员会与能源局相继发文，支持可再生能源制氢的发展，宜值此契机，加大对PEM水电解制氢技术的商业化示范，并结合商业化推广降低水电解制氢成本，促进水电解制氢与可再生能源的结合。预计未来5~10年质子交换膜水电解制氢产品将逐步进入产业化制氢市场，用于储能与工业加氢领域。在技术上，则需针对SOEC的关键材料与部件、电解池测试装置和测试方法等方面开展研究，建议鼓励基础研究与应用研究，逐步解决高温SOEC水电解技术的材料与电堆结构设计问题，逐步实现高效SOEC制氢储能的示范应用。基于可再生能源大规模消纳的电解水制氢技术有望成为电网和制氢、用氢行业的共同选择。
注：本文内容呈现形式略有调整，若需可查看原文。
作者介绍

文章插图
衣宝廉，燃料电池专家，中国工程院院士。

主要从事化学能与电能的相互转化研究，是我国燃料电池开拓者之一。20世纪70年代参加并领导了航天碱性石棉膜型氢氧燃料电池研制；80年代利用燃料电池技术，实现空气氧氮分离制备纯氮气，电解水制备超纯氢，研制电化学CO与H2，传感器，投放市场，获得良好效益；90年代，作为项目负责人，领导了科技部“九五”攻关和中科院重大项目“燃料电池技术”，组装30kW氢氧燃料电池堆与电池系统用作中巴车动力源，致力于燃料电池的产业化。“十五”与“十一五”期间，指导城市客车与轿车用燃料电池系统的研发，研制的燃料电池发动机，用于北京奥运会和上海世博会示范运行的燃料电池客车与轿车。

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