SOFC-SOEC双模式运行时的系统效率及其课题

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摘   要：当太阳能、风能等可再生能源扩展到电网并在发电厂中占据重要地位时，用于调节电力供需的转换系统是非常有吸引力的。固体氧化物燃料电池（SOFC）和固体氧化物电解池（SOEC）的组合系统能够通过从FC或EC模式产生或消耗电能来满足电网的供需平衡。

与响应于可再生能源的广泛部署而缺少运行时间的传统发电厂的运行速度相比，该组合系统还具有能够保持较高运行速度的优势。但是，SOFC（用于发电的电化学氢燃烧；放热反应）和SOEC（用于制氢的水蒸气电解；吸热反应）组合系统在FC和EC之间的传热可行性、工艺要求和效率方面仍存在许多课题。

在本研究中进行了小型电池测试来预测SOFC和SOEC的性能，并基于SOFC和SOEC的系统分析对上述课题进行了讨论。

关键字：固体氧化物燃料电池、固体氧化物电解池、高温水蒸气电解、单位制氢量、系统效率、SOFC-SOEC双模式

背景

如果利用SOEC的“使用可再生能源剩余电力的水蒸气电解制氢”和利用SOFC的“使用氢燃料发电”能够实现，则利用SOFC-SOEC组合的高运行率系统有望用作可大规模引入可再生能源、且具有供需调节功能的新设备，但是目前，关于该系统的电池耐久性、系统效率和课题的文献报道较少。

目的

对使用SOFC单电池的SOFC-SOEC双模式进行反复实验，评估市售单电池在双模式下的性能和耐久性，同时阐明基于单电池性能的组合系统的电力储存效率和课题（进行作为吸热反应、即水蒸气电解的SOEC系统的热量自足条件）等（图1）。

图1 SOFC-SOEC组合系统的整体概述和效率估算示例

主要成果

1、使用SOFC单电池的SOFC-SOEC反复实验

对使用SOFC单电池的SOFC-SOEC进行4000小时的反复实验（图2）后，掌握了双模式下电压随时间的变化。通过对实验后的电池进行拆卸分析，确认到氧电极/电解质界面的一部分发生了剥离，该剥离可能引起3000小时以后的性能劣化。

图2 SOFC-SOEC反复实验中电池电压随时间变化的特性

【在500小时内，FC模式（○）出现了明显劣化（电压下降），而在3000小时后，双模式均出现劣化（○电压下降，□电压上升）】

2、基于SOEC性能预测的高温水蒸气电解系统分析

根据SOFC性能模型导出了SOEC系统评估所需的SOEC性能（电流-电压特性）（图3）。基于该SOEC性能，分析了SOEC系统中的制氢功率W_SOEC和吸热反应中补充的输入热量ΔQ_SOEC（图4）。为了通过内部电阻损耗和电极过电压导致的电池内部热量使外部热量输入为零（ΔQ_SOEC＝0），需要以980mA/cm²（SOFC电流密度的2～3倍）的高电流密度运行。

图3 利用SOFC性能模型的SOEC简单性能预测

【根据SOFC性能（实线，相当于家用SOFC系统性能），预测考虑EC模式下开路电压的SOEC性能（虚线）】

图4 制氢能量与电解电流的关系

【根据图3中的SOEC性能计算制氢能量的电流密度依赖性。由于电解反应H₂O→H₂+1/2O₂是吸热反应，因此需要外部热量，但是在图2假定的EC性能中，在980mA/cm²处不需要来自外部的供热ΔQ_SOEC。】

3、SOFC-SOEC系统中的储存效率以及利用氢气和天然气的SOFC系统效率

系统中的电力储存效率（图1）保持在40%的水平，其原因是利用氢气的SOFC系统效率（输电端38.1%LHV）与天然气系统（53.4%LHV）相比，约低15%（图5）。效率低的原因在于，天然气中的甲烷水蒸气重整反应（吸热反应：CH₄+H₂O→3H₂+CO）不适用于氢气。

图5 氢气与天然气SOFC系统的效率比较

【发电端（gross）效率的差异Ⅰ是以甲烷为代表的饱和碳氢燃料的重整效果（燃烧热量的增加）。输电端（net）效率的差异Ⅱ是通过饱和碳氢化合物的重整反应（吸热反应）减少冷却空气量的效果（降低压缩机内动力）】

未来展望

未来，将继续对以由氢气和二氧化碳合成的甲烷等为媒介的SOFC-SOEC双模式设备的电池耐久性、系统效率和存在的课题等进行探讨。

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翻译：李释云

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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