P-SOECs(质子传导型固体氧化物）电解槽现状以及降低研发成本方法

P-SOECs(质子传导型固体氧化物）电解槽现状以及降低研发成本方法

质子传导型固体氧化物电解槽（P-SOECs）作为下一代电解水制氢技术，因其较低的工作温度和潜在的成本优势而备受关注。本文将详细介绍P-SOECs的原理、现状及其商业化开发面临的挑战，并探讨降低研发成本的方法。

P-SOECs的基本原理

P-SOEC（Proton-conducting Solid-Oxide Electrolyzer Cell）即质子传导型固体氧化物电解水，有时也简称为H-SOECs。目前，P-SOEC正在开发中，作为O-SOEC的低温（450℃~650℃）替代品。较低的工作温度和质子传导相结合，使得P-SOEC比O-SOEC更具成本优势。与氧离子传导电解质相比，质子传导陶瓷电解质的活化能更低，因此可以实现更低的温度。P-SOEC还具有与O-SOEC相似的高效率潜力。

图1：P-SOEC（质子传导固体氧化物电解水）原理图

现状和降低研发成本的方法

初步结果表明，由于两种SOECs电解池设计和能效相似，所以P-SOECs堆的相关成本可能与O-SOECs相似。P-SOECs有可能比O-SOECs降低一些资本成本，因为P-SOECs的工作温度较低，可以在电堆和BOP中使用价格较低的金属。此外，P-SOECs可以直接生产干基氢，无需额外的氢气干燥系统，并提供了在电堆内加压的机会。在电堆内加压可以简化系统设计，降低总体运营成本。

P-SOECs商业化开发的主要障碍是如何同时达到所需的材料强度和高质子电导率（两者成反比关系），以及与O-SOECs类似，制造高密度电解质粉末的热处理成本高昂。要想以低成本生产稳定、高效的P-SOECs，还需要在这些领域开展更多研发工作。

鉴于目前P-SOECs的TRL相对较低，而且缺乏商业化生产，因此该技术的生产规模可能不足以在2031年之前为满足低成本目标的氢气商业化生产做出重大贡献。不过，如果P-SOECs能够达到与O-SOECs类似的性能、效率和耐用性目标（见下表1），预计P-SOECs最终的系统成本将低于O-SOECs的预计成本。

表1所示：P-SOECs中长期性能与O-SOECs一致

这主要是由于材料成本较低（例如，有可能使用常规不锈钢而不是昂贵的镍基超合金或陶瓷组件）以及BOP简化。由于在系统设计、电池设计和某些材料方面的相似性，PSOEC也将受益于OSOEC的开发、制造和商业化。下表2列出了P-SOEC电解槽研发的优先领域，下文将提供更详细的说明。

表2：P-SOEC优先研发

材料和组件

用于P-SOECs的电解质必须具有高质子电导率、低电子电导率以及足够的机械性能和稳定性，以承受具有强还原或强氧化作用的高湿度环境。这些电解质的主要候选材料是掺杂的BaZrO3和BaZr1-xCexO3包晶氧化物。前者在蒸汽环境中相对稳定，但质子电导率相对较低，而且烧结性和机械性能较差。后者在烧结性和质子传导性方面比基于BaZrO3的材料有所改进，但在高蒸汽环境中的稳定性有限。此外，在一些与P-SOECs电解槽运行相关的操作条件下（蒸汽浓度、电流密度/电压和温度），这些材料，尤其是含有铈的材料，会通过电解质表现出明显的电子传导性，从而导致电解池和电堆的电气效率下降。此外，这些材料的机械强度不如O-SOECs电解质。需要进行材料研发，以找到所需的电气、机械和化学特性组合，从而获得一种在电解槽运行条件范围内（如低于600°C、高蒸汽浓度）显示出高性能、高效率和长寿命的电解质材料。

电解单元和电堆

克服质子传导电解质难题的另一种方法是绕过材料方面的限制。可能的方法包括在BaZr1-xCexO3电解质上沉积一层非常薄的不同的兼容质子传导电解质，该电解质在蒸汽中稳定；添加烧结助剂以降低BaZrO3的烧结温度；以及设计界面以提高电化学性能和耐用性。此外，还需要新的制造技术来克服其中一些材料机械性能差的问题，以便于制造更大的电池。

与O-SOECs一样，即使在较低的温度下，金属连接体材料中的铬中毒也是一个令人担忧的问题。由于铬物种在P-SOECs特有的“湿”氧化环境中具有较高的挥发性，预计电解质和氧电极被铬物种毒害将缩短P-SOECs的寿命，甚至可能比O-SOECs的寿命缩短得更快。然而，很少有研究调查铬对P-SOECs的影响。成本较低的金属连接件也是大幅降低成本的一种选择，但要了解典型P-SOECs工作条件下的腐蚀和氧化行为以及这可能对低成本金属产生的影响，还需要进行更多的研究。