高温固体氧化物电解水制氢(SOEC）是指在高温下将电能和热能转化为化学能的过程。目前发展的SOEC按照电解质载流子的不同，可分为氧离子传导型SOEC和质子传导型SOEC。近年来也有研究报道采用氧离子和质子共传导材料作为电解质的SOEC，即混合电导SOEC，但目前研究较多和发展更为成熟的是氧离子传导型SOEC。
图源Topsoe
SOEC电解系统的最基本组成单元是SOEC电解池，多个电解池组装在一起成为SOEC电堆。多个电堆和气体处理系统、气体输送系统一起可以组合成SOEC电解模块。
高温固体氧化物电解水制氢技术电解池由电解质、阴极和阳极等核心部分组装而成。中间是致密的电解质层，两边为多孔的氢电极和氧电极。以氧离子传导型SOEC为例，较高温度下（700-900℃）,在SOEC两侧电极上施加一定的直流电压，H2O在阴极被还原分解产生H2和O2-，O2- 穿过致密的固体氧化物电解质层到达阳极，失去电子生成O2。
图 固体氧化物电解池组成，来源《电化学》
SOEC电解水制氢电解池主要组成部分
|
主要组成 |
主要作用 |
材质 |
|
电解质 |
将阴极产生的氧离子传导至阳极，阻隔电子电导，并防止阴阳极产生的氢气和氧气接触 |
通常选用导电陶瓷材料。800-1000C 常用有稳和定的氧化错(YSZ) 锐稳定的氧化错ScsZ);600-800C常用鳃嫁镁(LSGM)影掺杂的氧化铺(SDC)和乱掺杂的氧化铺(GDC) |
|
阴极 |
原料水分解的场所，提供电子传输通道 |
通常选用金属陶瓷复合材料，如镍、钻、铂、等金属 |
|
阳极 |
通常选用金属陶瓷复合材料，如镍、钻、铂、等金属 |
常用钙铁矿氧化物，掺杂的酸 (LSM)最具代表性 |
SOEC电解水制氢技术最大的优势是电耗低，适合产生高温、高压蒸汽的光热发电系统。但由于对阴阳极材料的特性要求较高，使得材料的成本大大增加，因此商业化应用受到限制。
另外，SOEC可以在电解池和燃料电池 (SOFC) 模式之间灵活切换。因其反应可逆，用作高效产氢或电化学储能装置, 将电能高效转化为化学能 (氢能), 也可在燃料电池模式下运行, 通过电化学反应得到电能。
高温固体氧化物电解水技术总体产业化程度不高，推出的商业化产品较少，仍处于研发阶段。国外企业主要包括德国Sunfire公司和美国Bloom Energy公司等。国内目前尚处于研发示范阶段，潍柴动力、中广核、东方锅炉、国家能源集团、北京低碳院、浙江氢邦、宁波索福人、新奥集团、潮州三环、华清能源、武汉华科福赛、浙江臻泰能源、佛山索弗克、中博源仪征新能源、中弗新能源等企业正积极布局SOEC制氢。
由于在运行过程中对于热能的需求更大，国内外SOEC示范项目主要集中于热能资源丰富或废热较多的地区，如钢铁治炼工厂、化工合成工厂或者核能发电工厂，这些是未来SOEC的主要应用场景。
来源：华安证券、能景研究、艾邦综合整理
原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）：SOEC电解水制氢技术及现状分析
