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Solid Oxide Electrolysis Cell

新一代

水電解系統(tǒng)

為了促進碳中和目標的實現，逐步擺脫對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。株式會社電裝（以下簡稱“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構

水產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，因此與在60℃左右反應的堿性水電解制氫、PEM制氫不同，SOEC所使用的陶瓷材料可在約700℃高溫下反應，制氫所需的能耗也會對應削減。

SOEC

在SOEC中，陶瓷用于制造由燃料電極，電解質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器“熱模塊”中，并向其中送入700℃高溫的水蒸氣來進行電解。

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。然而目前也因為該技術的實現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，會存在未反應就被釋放的情況。這樣用來變成水蒸氣的熱能就會浪費，效率也會下降。

針對上述問題，電裝正在利用自身在移動產品領域所積累的技術進行開發(fā)。

首先為了減少熱模塊散發(fā)的熱量，需對裝置內排出的余熱進行回收利用。電裝以車載交換器技術為基礎，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造，確保電堆保持在適當的溫度，提高電解和制氫效率。同時為了避免回收余熱時因熱量的流動產生溫度梯度，需解決平衡問題，對此，電裝利用在汽車零部件開發(fā)中培養(yǎng)的熱流體技術和熱流體模擬技術來解決上述問題。

此外，為了解決排放未反應水蒸氣造成的能源損失問題，電裝SOEC配置了利用推出器的系統(tǒng)。推出器是一種無需依賴泵等機械驅動器即可利用高壓流體的能量吸入、排出低壓流體的裝置，可實現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，對應地可以延長SOEC的核心部件壽命，降低維護成本。

事實上，在一般情況下，SOEC的熱模塊和電堆都是獨立開發(fā)或者外部組裝，得益于電裝系統(tǒng)化的技術優(yōu)勢，始終將其作為集成系統(tǒng)并在內部開發(fā)，整合功能上重復的內容，持續(xù)削減非必要的部分，促進產品小型化，從而避免熱量流失，進一步減少能耗，逐步在性能方面取得突破。

電堆

用先進生產技術打磨電堆

電裝同時還具備電池開發(fā)的技術優(yōu)勢。當電池中發(fā)生反應并且離子從燃料電極移動到空氣電極時，功耗會隨距離增加而增加。

為了降低離子移動所產生的能耗，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制作陶瓷層，將電池堆疊以形成多層結構進行燒制，并利用電裝在愛知同步加速器光學中心的專用光束線，粉絲陶瓷制造過程中，元素層面上發(fā)生的變化，持續(xù)克服過程中的種種課題，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、燒制和組裝，基于其自身擁有的先進生產技術制造優(yōu)于現有電堆的產品。SOEC之所以需要700℃是因為離子導體在700℃以下性能會急劇下降，這是陶瓷材料的特性，對于目前的材料技術，700℃是標準的溫度。

電裝的目標是希望通過處理新材料以達到更高的水平，盡管改變陶瓷材料，燒制工序、條件都會發(fā)生變化，但是電裝希望通過長期積累的技術優(yōu)勢持續(xù)發(fā)起新挑戰(zhàn)。

碳中和

展望碳中和的未來

電裝促進實現SOEC的進一步發(fā)展

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