2024年6月28日,電堆科技發布了全球首款SOEC-CH4電解水耦合天然氣制氫電堆。
截至2024年8月8日,制氫系統研發進展如下:
-單電池-

圖a
工作溫度的選取:根據產氫量(1.5Nm?/h @ 60 cells)制定60A作為額定運行電流。
如之前文章所述,電解水耦合天然氣氧化反應的熱中性電壓為300mV,電堆科技選取400mV作為運行工況以便電堆處于微放熱狀態,故實際運行時需滿足400mV@60A。
根據圖a不同操作溫度下的電流-電壓曲線選定600℃作為電堆的工作溫度。

圖b
圖a電流-電壓曲線的斜率反映了單電池在工作時的總阻抗,與圖b交流阻抗圖譜測試結果一致。
圖b歐姆電阻與8YSZ理論電導率計算結果一致。

圖c
CH4能否完全轉化?出口是否高純CO2?
對甲烷側尾氣在不同工況下的氣體組分做了測試,隨著電解電壓的增加CH4被完全氧化,在60A額定工況下尾氣CO2含量高于90%(保留10%H2以防止甲烷側電極氧化)。

圖d
單電池長期測試:單電池在額定工況下運行超300小時,電壓無衰減,持續測試中。
-電堆-

重復單元

15片電堆

30片電堆
電堆研發遵循5片電池組成的重復單元-3組重復單元構成的15片電堆-6組重復單元構成的30片電堆路徑。
在5片電池組成的重復單元中,每片電池的電化學性能一致性優異,與單電池測試結果相比略有損失。
3組重復單元組成的15片電堆中,每組重復單元的電化學性能一致性良好,與單個重復單元的結果相比又有些許損失。
6組重復單元組成的30片電堆中,電化學性能達到設計指標(12V@60A),然每組重復單元的電化學性能一致性稍差,目前在優化電堆結構以實現重復單元在整堆中的電化學性能一致性。
-BOP(熱處理)-
目前已針對BOP(熱處理)的核心反應區進行了預測試,結果表明,進出氣溫度、換熱效率、物質流循環系數等關鍵參數基本達到設計要求,下一步將不斷細化測試條件和反應條件并繼續測試。
核心區包括電堆加熱保溫區、蒸汽發生-電加熱區、尾氣能量熱交換區、進氣物質流循環區等部分,電堆反應溫度和實際進氣控制在約600℃,并考察各區域溫度和出口混合水氣溫度,在終端不增加冷凝設備的情況下,尾氣出口溫度達到約80℃,表明尾氣能量在熱交換區已被充分回收利用, 極大地降低了反應電耗。
電堆科技的SOEC-CH4電解水耦合天然氣制氫技術,適用于分布式、小型化、即產即用的制氫場景,如:工業制程(金屬加工、玻璃等產品制造、發電機冷卻等)、社區供能、分布式發電、制加氫一體站等。
由于CH4的引入,制氫電耗大幅降低,理論上可實現制取1標方氫氣僅消耗1度電(同時消耗0.25標方CH4)。
技術原理請參考電堆科技CEO仝永成博士所作《熱化學與電化學的碰撞:SOEC-CH4》