高效固体氧化物电解池制氢技术

项目简介

当前工业生产所需氢气的主要来源包括化石燃料重整和电解水制氢,前者存在大量的温室气体排放，后者主要基于常温电解水制氢技术，能耗和成本高。与常温电解水制氢技术相比，基于固体氧化物电解池（solid oxide electrolysis cell，SOEC）的高温（600～1000℃）电解水蒸气制氢技术具有显著优势：在高温状态下电解过程中的电能消耗降低20～30%，电解效率可以达到90～100%，可以与具备高温热源的能源系统联用，有效利用廉价的高温工艺热和电能来进行大规模制氢。可以利用价格低廉的金属氧化物来取代贵金属作为电极材料，降低制氢设备成本。主要应用场景包括核能高温制氢、可再生能源制氢、氢冶金、工业余热利用等方面。

围绕高效固体氧化物电解池制氢技术开发与应用中的关键科学和技术问题，本项目从材料学、物理、化学、纳米科学、界面科学、计算化学、化工、控制科学等多学科交叉的角度，研究高温、高湿度、大电流使役条件下高电导率、高稳定性的氧化物电解质和电极材料，研发高电解电流密度的全尺寸单体电解池及批量制备技术，开展高可靠、长寿命电解堆的结构设计、性能验证及精密组装工艺研究，与高温核能、可再生能源等清洁能源耦合，开展固体氧化物电解水制氢系统集成，为大规模应用示范和市场推广奠定基础。

在氧离子传导型固体氧化物电解池（SOEC）方向，开发多级孔结构的高活性Ni基氢电极并通过纳米工程化等策略抑制使役环境下的Ni迁移等衰减过程，提高钙钛矿氧化物材料出溶的电催化剂的可靠性；开发高效薄膜制备与低温烧结技术，制备5μm超薄氧化锆基致密电解质，降低电解池的欧姆阻抗并抑制与氧电极的界面副反应；优化钙钛矿基氧电极组成及其与电解质间的界面设计，释放大电流工作时产生的高氧分压，在实现单电解池的高电流密度输出的同时保持长寿命运行。电解池的电解效率≥90%，电解电流密度达到2A/cm 2 @1.3V，预期寿命≥60000h，实现了kw级电解堆的批量生产，开发了20kw电解堆模组，实现技术迭代，先后建成国内首套20kw和200kw级SOEC制氢装置，正在开展MW级SOEC制氢示范应用。

在质子传导型固体氧化物电解池（PCEC）方向，通过研究质子传导型电解质中的电荷输运规律，开发高离子电导率并能抑制电子电导的电解质材料，提高电解效率；掌握高温、高湿度、大电流条件下氧电极材料表面结构演变过程以及水分子在反应界面上的活化机理，开发高效稳定的PCEC电极材料；突破大面积质子导体电解质膜的成型与烧结工艺，实现全尺寸PCEC电解池的开发。电解池尺寸达到10cm x10cm，电解效率≥90%，电解电流密度达到1A/cm 2，电解池性能衰减速率≤1%/1000h。研制了kw级电解堆，开展性能优化和工程化批量制备研发，正在开发国内首套kw级PCEC制氢系统。

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