Solid Oxide Electrolysis Cell

新一代

水電解系統(tǒng)

為了促進(jìn)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，逐步擺脫對(duì)化石能源消耗的依賴，氫作為一種非常理想的清潔能源，也亟待得到更高效的制造和利用。株式會(huì)社電裝（以下簡(jiǎn)稱“電裝”）正致力于開發(fā)新一代水電解系統(tǒng)“SOEC（Solid Oxide Electrolysis Cell / 固體氧化物電解池），促進(jìn)削減SOEC能耗，提高氫氣制造效率。

SOEC

電解效率更高的水電解結(jié)構(gòu)

水產(chǎn)生氫的水電解方法有堿性水電解制氫、PEM（Polymer Electrolyte Membrane/固體高分子電解質(zhì)膜）制氫等幾種方式。由于水具備在溫度越高越能在低電壓下分解的性質(zhì)，因此與在60℃左右反應(yīng)的堿性水電解制氫、PEM制氫不同，SOEC所使用的陶瓷材料可在約700℃高溫下反應(yīng)，制氫所需的能耗也會(huì)對(duì)應(yīng)削減。

SOEC

在SOEC中，陶瓷用于制造由燃料電極，電解質(zhì)膜和空氣電極三層組成的“電池”，然后將電池堆疊以形成電堆。

SOEC的電解模式是將該電堆放入用絕熱材料包裹的高溫機(jī)器“熱模塊”中，并向其中送入700℃高溫的水蒸氣來(lái)進(jìn)行電解。

作為備受期待的新一代水電解裝置，SOEC能夠有效利用余熱并穩(wěn)定提供低碳電力，從理論上，效率是高于低溫制氫模式的。然而目前也因?yàn)樵摷夹g(shù)的實(shí)現(xiàn)難度較高尚未被廣泛普及。電裝正在利用自身培養(yǎng)的技術(shù)力求提高綠色氫氣的制造效率，解決SOEC的普及課題。

課題

利用熱管理和系統(tǒng)化技術(shù)改善

由于熱模塊與周圍的溫差容易發(fā)生散熱，為了維持熱模塊700℃的高溫，則需要追加加熱已散熱的部分，這將會(huì)消耗額外的能量。另外，送入熱模塊的水蒸氣并不是全部都可以用于氫的制造，會(huì)存在未反應(yīng)就被釋放的情況。這樣用來(lái)變成水蒸氣的熱能就會(huì)浪費(fèi)，效率也會(huì)下降。

針對(duì)上述問(wèn)題，電裝正在利用自身在移動(dòng)產(chǎn)品領(lǐng)域所積累的技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。

首先為了減少熱模塊散發(fā)的熱量，需對(duì)裝置內(nèi)排出的余熱進(jìn)行回收利用。電裝以車載交換器技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)能夠抑制熱交換器表面的散熱并高效回收余熱的構(gòu)造，確保電堆保持在適當(dāng)?shù)臏囟?，提高電解和制氫效率。同時(shí)為了避免回收余熱時(shí)因熱量的流動(dòng)產(chǎn)生溫度梯度，需解決平衡問(wèn)題，對(duì)此，電裝利用在汽車零部件開發(fā)中培養(yǎng)的熱流體技術(shù)和熱流體模擬技術(shù)來(lái)解決上述問(wèn)題。

此外，為了解決排放未反應(yīng)水蒸氣造成的能源損失問(wèn)題，電裝SOEC配置了利用推出器的系統(tǒng)。推出器是一種無(wú)需依賴泵等機(jī)械驅(qū)動(dòng)器即可利用高壓流體的能量吸入、排出低壓流體的裝置，可實(shí)現(xiàn)回收未分解成氫氣和氧氣就被排出的水蒸氣，并在電堆中再次循環(huán)。并且因推出器耐高溫、使用部件少，對(duì)應(yīng)地可以延長(zhǎng)SOEC的核心部件壽命，降低維護(hù)成本。

事實(shí)上，在一般情況下，SOEC的熱模塊和電堆都是獨(dú)立開發(fā)或者外部組裝，得益于電裝系統(tǒng)化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，始終將其作為集成系統(tǒng)并在內(nèi)部開發(fā)，整合功能上重復(fù)的內(nèi)容，持續(xù)削減非必要的部分，促進(jìn)產(chǎn)品小型化，從而避免熱量流失，進(jìn)一步減少能耗，逐步在性能方面取得突破。

電堆

用先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)打磨電堆

電裝同時(shí)還具備電池開發(fā)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)電池中發(fā)生反應(yīng)并且離子從燃料電極移動(dòng)到空氣電極時(shí)，功耗會(huì)隨距離增加而增加。

為了降低離子移動(dòng)所產(chǎn)生的能耗，則需確保SOEC陶瓷層的薄度和密閉。電裝以排氣傳感器為基本技術(shù)制作陶瓷層，將電池堆疊以形成多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制，并利用電裝在愛知同步加速器光學(xué)中心的專用光束線，粉絲陶瓷制造過(guò)程中，元素層面上發(fā)生的變化，持續(xù)克服過(guò)程中的種種課題，制造出薄且密的陶瓷層。

此外，電裝始終參與陶瓷原材料的采購(gòu)、燒制和組裝，基于其自身?yè)碛械南冗M(jìn)生產(chǎn)技術(shù)制造優(yōu)于現(xiàn)有電堆的產(chǎn)品。SOEC之所以需要700℃是因?yàn)殡x子導(dǎo)體在700℃以下性能會(huì)急劇下降，這是陶瓷材料的特性，對(duì)于目前的材料技術(shù)，700℃是標(biāo)準(zhǔn)的溫度。

電裝的目標(biāo)是希望通過(guò)處理新材料以達(dá)到更高的水平，盡管改變陶瓷材料，燒制工序、條件都會(huì)發(fā)生變化，但是電裝希望通過(guò)長(zhǎng)期積累的技術(shù)優(yōu)勢(shì)持續(xù)發(fā)起新挑戰(zhàn)。

碳中和

展望碳中和的未來(lái)

電裝促進(jìn)實(shí)現(xiàn)SOEC的進(jìn)一步發(fā)展

當(dāng)然先進(jìn)的開發(fā)與各界伙伴的合作是不可缺少的，電裝與大學(xué)研究室合作致力于材料開發(fā)，如果材料技術(shù)有所突破，那么融合了氫制造和燃料電池的新裝置「SORC」的開發(fā)也將進(jìn)入視野。目前使用SOEC的共電解生成氫和CO，合成甲烷的技術(shù)還處于研究開發(fā)階段，為了不斷開拓完善SORC和共電解合成甲烷等與SOEC相關(guān)的技術(shù)，材料技術(shù)還需要持續(xù)進(jìn)化和突破。

探索SOEC可能性的挑戰(zhàn)才剛剛開始，未來(lái)，電裝將與合作伙伴們一起持續(xù)挑戰(zhàn)SOEC的技術(shù)難題，提高綠色氫氣的制造效率，為實(shí)現(xiàn)碳中和做出貢獻(xiàn)。

以上內(nèi)容和圖片均來(lái)自電裝官網(wǎng)：

https://www.denso.com/jp/ja/driven-base/tech-design/soec/