SOEC在可再生电力电-氢转换中的应用优势

高功率密度与氢气产量

SOEC在电-氢转换过程中表现出极高的能效。与传统的碱性电解槽和质子交换膜电解槽（PEMEC）相比，SOEC在高温下操作，不仅降低了电解过程中的电能损失，还利用了部分热能来促进反应，从而显著提高了整体能效。具体而言，SOEC的电解效率理论上可以超过80%，在热能利用方面具有明显优势。这种高效能使其在可再生能源富集地区，如风能和太阳能丰富的区域，具有广泛的应用前景。

低成本与原料适应性

SOEC电解制氢技术因其材料成本低廉和对原料要求低的优势，成为氢能生产领域的重要选择。SOEC所采用的阴极材料（如Ni-Zr_0.92Y_0.08O₂和Ni-钇稳定氧化锆(YSZ)）、阳极材料（如La_xSr_1-xMnO_3-δ和LSM）及电解质隔膜（如YSZ）均为低成本材料，不需要昂贵的离子交换膜和贵金属电催化剂，从而显著降低了电解制氢的成本。此外，SOEC对原料纯度的要求较低，其电解原料为水蒸气，这使得它可以使用海水等含有大量杂质的水源，无需进一步淡化处理，从而简化了工艺流程，提高了工艺适应性。

2015年，中科院宁波材料所提出了一种新型平管型结构电池技术路线。相较于传统的平板型、管型等结构的燃料电池，该电池具有稳定性强、易密封、耐高温变形、集成难度小等特点。2019年，这项技术转移并转化成立了浙江氢邦科技有限公司。

固体氧化物电池在氧化还原循环中容易导致电解质开裂，从而对电池和电堆造成不可逆的损害。宁波材料所官万兵老师团队所研发的平管型电池，通过优化循环氧化程序，保持了微观结构和性能的稳定性。与平板型电池相比，平管型电池基于其低应变特性，在抗氧化还原稳定性方面表现更优异。

在充放电性能方面，平管型电池与平板型电池的差距逐渐缩小。有实验结果表明，平管型电池的充放电瞬时性能与平板型电池基本相当，甚至在某些条件下表现更优。

在热循环性能方面，平管型电池的性能衰减率显著低于传统平板型电池，在长时间热循环中的性能保持能力极强，具有优异的热稳定性。这种高稳定性和耐久性使SOEC在实际工业应用中能够长期稳定运行，减少了维护和更换的频率。

平管型电池性能的提升得益于一系列关键技术的突破：

1.电池支撑体孔隙率提升到40%以上，显著改善了电池的透气性和结构稳定性。

2.集流层及其与电池结合的优化设计，确保了电子收集效率的提高。

3.支撑体的高平整度成型技术和电池/电极界面的精细烧制工艺，增强了整体结构的均匀性和稳定性。

4.电堆结构的优化设计及电池/连接体界面集流和密封的精准控制，提升了电堆的整体性能。

5.密封性能的大幅度提升，使电堆在高温高压条件下能够保持良好的性能，百次热循环后泄漏率低于1.5%。

此外，SOEC技术在CO₂电解合成燃料和间歇性、波动性电力转换存储方面具有显著优势。官万兵研究员团队采用抗氧化还原性能优异的平管型SOEC，研究了脉冲电流下CO₂循环电解合成燃料的过程与性能变化机理，通过优化脉冲电流条件，SOEC能够在高效转换能量的同时，保持良好的电解性能和长寿命。这项研究为SOEC电解CO₂合成燃料在可再生电力消纳中的应用提供了重要参考。

综上，得益于材料和结构的多项技术突破，平管型电池放电功率密度和电解电流密度达到了与平板型电池相当的水平。平管型固体氧化物电池有望成为继平板型电池后的又一可靠技术路线，值得在实际应用中大力推广和发展。

[参考文献]：

[1]Wu A, Li C, Han B, et al. Pulsed electrolysis of carbon dioxide by large‐scale solid oxide electrolytic cells for intermittent renewable energy storage[J]. Carbon Energy, 2023, 5(4): e262. https://doi.org/10.1002/cey2.262

[2]李程,周露,刘波,等.固体氧化物电解池氢电极材料研究进展[J/OL].硅酸盐学报:1-17[2024-06-07].https://doi.org/10.14062/j.issn.0454-5648.20230900.