SOEC-CH₄產品是基于“SOEC電解水耦合天然氣制氫技術”研發的制氫模塊,每個模塊由若干個電堆配合BOP(Balance of Plant,周邊輔助系統)共同組成,可根據使用場景和用氫需求定制單位模塊的功率以及模塊數量,再將所有模塊堆疊起來,形成制氫裝置。產品的輸入是水(液態或氣態)、CH₄和電能,輸出是高純度H₂(4N標準)和易捕集的高濃度CO₂。該產品制氫成本低、反應效率高、原料易獲得、產品易捕集;同時,由于模塊化,還具有移動運輸方便、可定制化程度高、管理成本低、對環境影響小的特點——極大降低了在城市內/城市周邊建設制氫工廠的難度和成本。

在傳統的SOEC中,在負極側循環的是氫氣和蒸汽的混合氣,在正極側循環的是氧氣,系統的開路電壓為0.8-0.9V,具體取決于氫氣/蒸汽比以及工作溫度;為了電解水則必須施加高于開路電壓的電壓,以便將氧氣從負極泵送至正極;顯然所用的大部分電力(總電力的70%左右)用于迫使電解槽逆氧的化學勢梯度運行。當天然氣引入正極后,天然氣的還原特性有助于降低電解槽兩側的電化學勢差,天然氣可以消耗電解產生的氧氣,從而降低電解槽兩側的電位差(~1V),從而減少電解水的電耗。

電堆的反應過程如下圖所示:

正極反應的產物為CO₂和蒸汽,經冷凝干燥后得到純CO₂,便于CO₂捕集。該反應以等能量單位的天然氣替代電能,使得最終反應的電耗僅為純電解水反應的四分之一;天然氣的消耗僅為傳統熱化學重整制氫消耗量的50%~60%。

單個電堆參數如下表所示,整體產氫速率為1.5Nm3/h,電解電耗11.2kWh/kg,電堆的效率≥95%。

表1. 電堆科技SOEC-CH₄單電堆參數指標說明

圖3:BOP和電堆共同組成SOEC-CH₄制氫系統,目前開發的單電堆系統示意如下:

首先,甲烷流經集成加熱器的熱交換加熱器1,通過從電堆尾氣中回收熱量并將其加熱至反應溫度(700℃),然后熱甲烷進入電堆正極部分;電堆氫氣產物通過冷凝器1將氫氣干燥并給液態水供給熱量,熱水流經熱交換加熱器2,通過從電堆尾氣中回收熱量形成蒸汽并將其加熱至反應溫度(700℃),然后過熱蒸汽進入電堆負極部分;電堆尾氣流經熱交換加熱器2與熱交換加熱器1降溫后通過冷凝器2將二氧化碳干燥。該系統參數見下表。

表2. 電堆科技SOEC-CH₄單電堆系統參數

該單電堆系統的各項參數均達到國內外頂尖標準。

圖4:再將該系統置入搭配可視化操作界面的箱體,即為一個完整產品,SOEC-CH₄ 制氫設備外形示意圖如下:

客戶可根據實際場景與需求,定制不同規模的SOEC-CH₄模塊以及模塊數量,搭建制氫工廠。

在不久的將來,SOEC-CH₄產品不僅能以單臺小型制氫設備的形態出現,還將促進撬裝制氫站的發展,甚至取代一部分現有的熱化學制氫工廠,推動制氫技術向更高效、更環保、更安全、更經濟的電化學制氫工廠發展。

電堆科技即將于3月25日-3月27日參加2024北京國際氫能技術裝備展覽會;同期于3月26日-3月28日參加2024中國國際氫能及燃料電池產業展覽會。

電堆科技期待與您共襄盛會,共話氫能未來!