SOEC水蒸气电解系统的循环计算和有效能分析
武藤崇史，水泽龙也，森昌史，荒木拓人
ExergyAnalysis by Means of Cycle Calculation for
SteamElectrolysis Systems Using Solid Oxide Electrolysis Cells
固体氧化物电解池（SOEC）可用于制氢系统。本研究的研究对象为工作温度分别为850℃和650℃的两种SOEC。实验中测量了850℃型电解池的电流密度—电压特性和电流效率，关于650℃型电解池则使用从先前报告中获得的相关数据。850℃型电解池在0.4A/cm2的电流密度下电压为1.20V，电流效率接近100%。利用这些实验值，对产能为300Nm3/h的SOEC系统模型进行了循环计算，并讨论了在额定工作电流密度为0.4A/cm2时，使用不同能源的有效能效率：当所有能量全部由电力提供时，850℃型和650℃型电解池的有效能效率分别为80.2%和80.5%；当加热温度为110℃时，850℃型和650℃型电解池的有效能效率分别为89.2%和90.5%；当加热温度为110℃，同时利用850℃或650℃的热量时，两种电解池的有效能效率均为91.4%。另外，本研究还对电解池在不同用电负荷下的效率进行了评估：当用电负荷小于950kW时，650℃型系统的效率高于850℃型系统；当用电负荷大于950kW时，850℃型系统的效率高于650℃型系统。
1、引言
近年来，在政策的引导下，利用太阳能和风能等自然能源的发电得到大力推广，而且未来有望得到进一步普及。但是该发电方法也存在很多问题，比如电力输出会因天气状况出现较大波动等。由于目前的输配电系统并不是为自然能源电源而设计的，如果增加自然能源发电的占比，维持目前供电的电压稳定将变得困难。因此，将电能转化为氢能等化学能进行大量储存的技术一直备受关注（1）。利用固体氧化物电解池（SOEC）的高温水蒸气电解具有以下特征：可凭借良好的热力学性能实现高效制氢，而且不需要昂贵的贵金属催化剂也可以在电解时保持较低的过电压（2）。迄今为止，已经进行了很多关于材料和电解池形状的研究（3）（4），但是对实际应用电解池的系统层面上的性能研究（5）还很少。此前，我们以能量为指标，在300Nm3/h的额定气体流量下进行了系统分析（6），但是并没有考虑到电解池堆和热源温度的差异，以及向系统供给能量的形态差异等。因此，我们在评估指标中加入了有效能，对额定值以外的用电负荷也进行了分析，并对系统的电解性能进行了实测。
2、SOEC电解性能的测定
表1示出了两种小型圆筒SOEC材料。本实验中采用了铂线和铂浆料进行集电。另外，SOEC的水蒸气极使用氧化铝管作为气体通路，同时水蒸气极两端用Aremco公司制造的Ceramabond552高温陶瓷胶进行粘接。为确保气密性，组合使用了Cerambond和玻璃密封材料。对于650℃型电解池，参考之前报告（7）中的数值，另外重新测定了850℃型电解池的电流密度—电压特性和电流效率、以及电流效率。如表2所示，向SOEC的水蒸气极供给水蒸气和氢气的混合气体，向空气极供给空气。
2.1 电流密度—电压特性和电流效率
图1示出了各SOEC的电流密度-电压特性。850℃型电解池的开路电压（OCV）与通过能斯特方程（8）得到的理论电压值基本一致；另一方面，650℃型电解池的开路电压比理论电压值低约53mV。由于电解质没有出现裂缝，因此我们认为这一电压差是由密封部的气体泄漏所导致的。对此，本研究中对因气体泄漏而导致的开路电压的下降进行了修正。电流效率是指制氢量的理论值和实测值与供给电流的比值。其中，理论值通过法拉第定律求出，而实测值是利用膜流量计和气相色谱法（载气为氩气）对生成气体的流速和成分进行测量而求出的。
图1 电流密度-电压特性
图2所示的850℃型电解池的制氢量的实测值与供给电流的比值和理论值几乎一致。由此可知，电解过程中氢气以外的副产物和电子泄漏对电解效率的影响不大，电流效率几乎达到100%。
图2 850℃型电解池的H2产量与电流密度