SOEC-CH₄產(chǎn)品是基于“SOEC電解水耦合天然氣制氫技術(shù)”研發(fā)的制氫模塊,每個(gè)模塊由若干個(gè)電堆配合BOP(Balance of Plant,周邊輔助系統(tǒng))共同組成,可根據(jù)使用場(chǎng)景和用氫需求定制單位模塊的功率以及模塊數(shù)量,再將所有模塊堆疊起來(lái),形成制氫裝置。產(chǎn)品的輸入是水(液態(tài)或氣態(tài))、CH₄和電能,輸出是高純度H₂(4N標(biāo)準(zhǔn))和易捕集的高濃度CO₂。該產(chǎn)品制氫成本低、反應(yīng)效率高、原料易獲得、產(chǎn)品易捕集;同時(shí),由于模塊化,還具有移動(dòng)運(yùn)輸方便、可定制化程度高、管理成本低、對(duì)環(huán)境影響小的特點(diǎn)——極大降低了在城市內(nèi)/城市周邊建設(shè)制氫工廠的難度和成本。

在傳統(tǒng)的SOEC中,在負(fù)極側(cè)循環(huán)的是氫氣和蒸汽的混合氣,在正極側(cè)循環(huán)的是氧氣,系統(tǒng)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(fù)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(xué)勢(shì)梯度運(yùn)行。當(dāng)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(cè)的電化學(xué)勢(shì)差,天然氣可以消耗電解產(chǎn)生的氧氣,從而降低電解槽兩側(cè)的電位差(~1V),從而減少電解水的電耗。

電堆的反應(yīng)過(guò)程如下圖所示:

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

單個(gè)電堆參數(shù)如下表所示,整體產(chǎn)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(shù)指標(biāo)說(shuō)明

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

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

表2. 電堆科技SOEC-CH₄單電堆系統(tǒng)參數(shù)

該單電堆系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到國(guó)內(nèi)外頂尖標(biāo)準(zhǔn)。

圖4:再將該系統(tǒng)置入搭配可視化操作界面的箱體,即為一個(gè)完整產(chǎn)品,SOEC-CH₄ 制氫設(shè)備外形示意圖如下:

客戶可根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景與需求,定制不同規(guī)模的SOEC-CH₄模塊以及模塊數(shù)量,搭建制氫工廠。

在不久的將來(lái),SOEC-CH₄產(chǎn)品不僅能以單臺(tái)小型制氫設(shè)備的形態(tài)出現(xiàn),還將促進(jìn)撬裝制氫站的發(fā)展,甚至取代一部分現(xiàn)有的熱化學(xué)制氫工廠,推動(dòng)制氫技術(shù)向更高效、更環(huán)保、更安全、更經(jīng)濟(jì)的電化學(xué)制氫工廠發(fā)展。

電堆科技即將于3月25日-3月27日參加2024北京國(guó)際氫能技術(shù)裝備展覽會(huì);同期于3月26日-3月28日參加2024中國(guó)國(guó)際氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)。

電堆科技期待與您共襄盛會(huì),共話氫能未來(lái)!