科普 | 電解水制氫的最佳工作溫度

工作溫度的選擇準(zhǔn)則

電解水制氫技術(shù)可以在不同的工作溫度下進(jìn)行，但如何確定最佳工作溫度是技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)圖所示，在任意工作溫度T下，分解1摩爾水所需的能量關(guān)系可用以下熱力學(xué)公式表示：

ΔH(T,1) = ΔG(T,1) + T·ΔS(T,1)

其中，ΔH為水分解所需的總能量（與溫度無(wú)關(guān)），ΔG為電功（電能輸入），T·ΔS為熱能輸入。隨著工作溫度升高，熱能占比增大，電能需求相應(yīng)減少，這是高溫電解的核心優(yōu)勢(shì)。

選擇工作溫度的兩大標(biāo)準(zhǔn)

1. 經(jīng)濟(jì)性：電能成本占比

工業(yè)應(yīng)用中，電能成本是決定性因素。以歐洲市場(chǎng)為例：

- 工業(yè)供熱成本：1015歐元/MWh（利用工業(yè)廢熱時(shí)成本更低）

- 工業(yè)用電成本：50100歐元/MWh（約為熱成本的510倍）

由于熱力發(fā)電的卡諾效率限制（約30%），高溫電解的經(jīng)濟(jì)性顯著優(yōu)于低溫技術(shù)：

- 低溫電解（PEM/堿性）：46 kWh/Nm3 H?

- 高溫電解（固體氧化物電解池，SOEC）：3.4 kWh/Nm3 H?

此外，高溫電解可直接利用200300℃的工業(yè)廢熱（足以使水汽化，而汽化熱是水分解反應(yīng)的重要能量項(xiàng)），進(jìn)一步降低運(yùn)營(yíng)成本。

2. 技術(shù)成熟度：材料與工藝限制

盡管高溫電解在經(jīng)濟(jì)性上占優(yōu)，但技術(shù)成熟度仍是瓶頸，主要面臨兩大挑戰(zhàn)：

- 材料科學(xué)問(wèn)題：高溫下不同材料的熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致界面分層、互擴(kuò)散，引發(fā)性能不可逆衰減。

- 密封與泄漏：高溫高壓環(huán)境下，現(xiàn)有材料的密封性不足，限制未來(lái)高壓高溫電解技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用。

結(jié)論

高溫電解（如SOEC技術(shù)）在能效和成本上更具潛力，尤其適合整合工業(yè)廢熱資源，但其商業(yè)化需突破材料穩(wěn)定性與系統(tǒng)密封性的技術(shù)障礙。后續(xù)章節(jié)將深入探討這些問(wèn)題的解決方案。