本文3529字，預計閱讀需15分鐘

摘　要：本文將介紹應用高溫水蒸氣電解方式系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝置——固體氧化物

電解池（SOEC）電池堆以及整體系統(tǒng)的開發(fā)。

關(guān)鍵字：固體氧化物電解池（SOEC），氫燃料電池，制氫系統(tǒng)，蓄電系統(tǒng)，

可再生能源

使用固體氧化物電解池（SOEC）的制氫系統(tǒng)及蓄電系統(tǒng)

（Hydrogen Production and Hydrogen Power Storage Systems Using Solid Oxide Electrolysis Cells）

原作者：松永 健太朗（MATSUNAGA Kentaro）；吉野 正人（YOSHINO Masato）；渡邊 久夫（WATANABE Hisao）

2015年7月發(fā)布的《長期能源供求預測》顯示，2030年日本的能源自給率將提高到22-24%，同年12月召開的COP 21（聯(lián)合國氣候變化框架條約第21次締約方會議）上，針對到2030年，日本國內(nèi)的二氧化碳（CO2）等溫室效應氣體排放量與2013年度相比削減26%這一計劃，各締約方表示同意。此外，在2016年3月修訂的《氫燃料電池戰(zhàn)略路線圖》中，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省制定了固定式燃料電池的價格目標、燃料電池汽車（FCV）和加氫站的引入數(shù)量目標，同時成立工作組，推進氫能無碳社會建設(shè)。為了這些目標，實現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模引入和CO2排放量的削減，日本正加速進行氫氣的制造、儲藏、運輸技術(shù)的開發(fā)。

作為無碳制氫的關(guān)鍵技術(shù)，在水電解的研究上，東芝公司推進固體氧化物電解池（SOEC）的研發(fā)，其與傳統(tǒng)固體高分子電解池相比效率提高了約30%，同時研究SOEC和固體氧化物燃料電池（SOFC）的結(jié)合，從而推進高效大型氫蓄電系統(tǒng)的開發(fā)。01序言

為應對能源安全和地球環(huán)境問題，太陽能發(fā)電和風力發(fā)電等可再生能源發(fā)電設(shè)備的引進在世界范圍內(nèi)快速增加，日本也在加速氫氣的制造、儲藏、運輸技術(shù)的研發(fā)。2015年7月經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省發(fā)布的“長期能源供求預測”中，表示將最大限度地推進可再生能源的引入，并制定了到2030年能源自給率提高到22～24%的方針。另外，同年12月召開的COP 21上，針對到2030年，日本國內(nèi)的CO2等溫室氣體排放量與2013年度相比削減26%這一計劃，各締約方表示同意。此外，在2016年3月修訂的《氫燃料電池戰(zhàn)略路線圖》中，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省制定了固定式燃料電池的價格目標、FCV和加氫站的引入數(shù)量目標，同時成立工作組，推進氫能無碳社會建設(shè)。

利用可再生能源的氫氣儲存和供給系統(tǒng)，包括“制氫系統(tǒng)”和“氫蓄電系統(tǒng)”。由于使用可再生能源發(fā)電易受天氣影響，要將其大量引入電力系統(tǒng)，并作為主要電力來源之一加以利用，需要強化輸出穩(wěn)定系統(tǒng)和電力系統(tǒng)，同時還需要加入蓄電系統(tǒng)，以應對輸出變動和供需調(diào)整。

在利用氫能進行蓄電、發(fā)電的氫蓄電系統(tǒng)中，當可再生能源的輸出發(fā)生變動而產(chǎn)生剩余電力時，利用該剩余電力進行水電解制造且儲存氫氣，并在需要時通過燃料電池發(fā)電（圖1）。此系統(tǒng)不受抽水蓄能發(fā)電的場地限制，蓄電量也不依賴于活性物質(zhì)的儲量，適合大規(guī)模、長時間蓄電。

高效制氫對于實現(xiàn)此系統(tǒng)的實際運用必不可少。與以往低溫下進行的電解方式相比，高溫水蒸氣電解方式采用固體氧化物電解質(zhì)膜，有望提高電解效率。本文將介紹應用此電解方式的系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝置——固體氧化物電解池（SOEC）電池堆以及整體系統(tǒng)的開發(fā)。

02實現(xiàn)SOEC大型化

SOEC電池堆以使用固體氧化物作為電解質(zhì)的固體氧化物燃料電池（SOFC）為基礎(chǔ)，對其電解特性之一的電流電壓（I-V）特性以及吸熱和散熱特性進行評估。圖2是作為評估對象的管型平板電池堆的示意圖。其具有可以同時對多個單電池供應水蒸氣和回收氫氣的構(gòu)造。

在水蒸氣濃度為90%且溫度為750℃的運行條件下，通過設(shè)置在電池堆中央的溫度計測量并觀察其吸散熱特性，結(jié)果如圖3所示。

由于水電解是吸熱反應，隨著電流密度的增加，電池堆的溫度下降，然而當電流密度進一步增加時，由電池堆歐姆損失產(chǎn)生的散熱會超過吸熱，溫度轉(zhuǎn)而上升。在本次測試條件下，最低溫度比開路電壓時的溫度，即空載無電流狀態(tài)下的溫度低大約11℃。另外，發(fā)現(xiàn)當電流密度約為0.85A/cm2時，吸熱和散熱相等。

圖4表示使水蒸氣濃度在70～90vol%范圍內(nèi)變化時，各條件下的初始I-V特性。在電池堆中，使吸熱和散熱相等的反應條件稱為熱平衡點，理論上單電池電壓為1.3V時成立。本測試中，1.3V的電壓下，電流密度如圖4所示約為0.85A/cm2，與圖3的測試結(jié)果保持了理論上的一致性。另外，為實現(xiàn)高效制氫，需要抑制電壓隨電解電流的上升。而本試驗得到的熱平衡點的電流密度值為0.85A/cm2，大于目標值（0.5A/cm2），暗示了反應單元可小型化。此外，在同時進行的有關(guān)水蒸氣利用率的討論中，確認了電解反應中供應的水蒸氣的97%能夠得到有效利用。

此外，還討論了將多個電池堆組合成多重電池堆，擴大制氫規(guī)模的可能性。SOEC多重電池堆評測裝置位于東芝府中事務所的氫能源研究開發(fā)中心，能對10kW以上規(guī)模的SOEC的制氫過程進行評測（圖5）。

在SOEC多重電池堆評測裝置中，由電解電流計算出的理論氫產(chǎn)生量與實際的氫產(chǎn)生量的比較如圖6所示，轉(zhuǎn)換效率接近100%。

多重電池堆與單個電池堆的I-V特性的比較如圖7所示。與單個電池堆相比，電阻（曲線的斜率）更大。今后，還將討論減小多重電池堆的電阻和優(yōu)化氣體流通。

03SOEC制氫系統(tǒng)及蓄電系統(tǒng)的構(gòu)建

作為傳統(tǒng)低溫型水電解方式，固體高分子電解池和堿性水電解的單個電池堆的單位制氫耗能約為4～5kWh/Nm3（注1：Nm3指0℃、一個標準大氣壓下的體積）。與此相對， SOEC的單個電池堆的單位制氫耗能在熱平衡點條件附近下約為3.1kWh/Nm3。如果從外部輸入熱能，單位制氫耗能還能更少。另外，在系統(tǒng)方面，以往系統(tǒng)的工作溫度為室溫至100℃左右，而使用SOEC的系統(tǒng)則是600～800℃，因此在熱學方面的研究十分關(guān)鍵。

熱質(zhì)平衡分析中SOEC制氫系統(tǒng)的計算條件（額定運行條件）如表1，流程圖如圖8所示。

系統(tǒng)主要由SOEC模塊和高低溫再生熱交換器構(gòu)成，其中高低溫再生熱交換器利用SOEC制造氫氣和氧氣過程中產(chǎn)生的廢熱。生成氫氣的一部分以及分離出的未反應的原料水循環(huán)利用，被再次提供給SOEC模塊。在輸入功率為150kW的條件下，在SOEC電池堆的熱平衡條件下的單位制氫耗能的基礎(chǔ)上，考慮蒸氣的產(chǎn)生、氫氣加溫以及SOEC前段加熱等所需的熱量輸入，同時將泵動力、散熱損耗、除濕動力等因素考慮在內(nèi)，分析系統(tǒng)的熱質(zhì)平衡。結(jié)果顯示，系統(tǒng)的單位制氫耗能約為4.1～4.2kWh/Nm3。根據(jù)此結(jié)果可知，與以往系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)可節(jié)省20～30%左右的電能。

圖9是200kW（50Nm3/h）級SOEC制氫系統(tǒng)的效果圖。每個單元可以由車輛單獨運輸，通過將熱交換器橫放等設(shè)計，減小運輸尺寸。另外，通過應力分析等評估管道路線，進行可行性驗證。

此外，同時探討了由SOEC制氫系統(tǒng)和SOFC組合而成的氫蓄電系統(tǒng)H2OmegaTM。在氫蓄電系統(tǒng)中，通過將電池反應產(chǎn)生的熱用于電解反應，系統(tǒng)整體有望實現(xiàn)高充放電效率（圖10）。

當前正在推進MW級氫蓄電系統(tǒng)中的高溫蓄熱裝置的概念設(shè)計，目前為止，已經(jīng)進行了蓄熱容器候選材料的選定、蓄熱材料（熔融鹽）的選定、泄漏檢測方法的研究以及構(gòu)成材料的抗腐蝕性評價等。此外，還收集了高溫蓄熱裝置中的輻射傳熱等實際設(shè)備中可能出現(xiàn)的熱傳遞的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖11是討論中的5MWe級氫蓄電裝置的效果圖。設(shè)想的蓄電容量為32MWh，可提供1萬戶家庭8小時所需電力。

04后記

氫氣作為能量媒介，今后對于高效制氫方法以及氫氣與電力高效轉(zhuǎn)化方法的需求會越來越多。東芝公司將繼續(xù)推進各項研發(fā)，為構(gòu)建可持續(xù)、安心、安全、舒適的社會提供可再生能源和氫能利用的解決方案。其中，隨著SOEC容量的增大和效率的提高，對其進行系統(tǒng)使用將是一個重要的技術(shù)課題。為了構(gòu)建更高效的制氫和蓄電系統(tǒng)，東芝公司今后也將繼續(xù)進行相關(guān)研究。

本研究成果的一部分由日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省和日本國立研究開發(fā)法人新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）委托進行。

（翻譯：金瀅潔 審校：李涵、賈陸葉 統(tǒng)稿：Susan）