新型电解水制氢技术路线：SOEC独辟蹊径，辟在高温

文章来源：国君证券

SOEC独辟蹊径，辟在高温，但高温是一把双刃剑。不同于碱性、PEM等常温电解水制氢方式，SOEC的工作温度达到650-850℃。高温带来了低电耗的优势，但也对电解槽材料的耐久性和稳定性提出了更高要求。①温度越高，电解水制氢所需的电耗越低。简单理解，碱性和PEM完全依靠电能拆开氢氧键，SOEC依靠热能和电能拆开氢氧键，所需电能更少，电耗更低。②长期的高温高湿运行环境对材料造成衰减，影响电解槽使用寿命。

电池片的制备和密封技术决定SOEC的性能优劣。SOEC电池片的制备类似陶瓷烧制，最后成型的产品和陶瓷片也相像，制备关键环节包括浆料制备-平板流延-叠压-烧结-丝网印刷；可以把SOEC制备形象理解为摊煎饼，首先要给煎饼配料（浆料制备），然后放到在锅底上用刮刀抹均匀（平板流延），最后煎熟变得脆硬（烧结）。电池片的密封技术也十分关键，影响SOEC的耐久性和效率。目前国内SOEC的自动化生产程度还不高，规模化程度较低，制造成本较高；若仅从材料角度考虑，电堆的材料成本为1352元/kW，包括电池片材料成本、框架材料成本、密封材料成本。未来SOEC系统成本的下降来自制备工艺成熟带来的产线良品率提升，以及供应链成熟化和规模化。

SOFC/SOEC的可逆性极强，两者制备过程及所用材料基本一致，不管是国内外，从事SOEC的企业大多是从SOFC转型而来。目前，海外SOFC/SOEC企业的产品成熟度要领先于国内，代表企业有美国Bloom Energy、丹麦Topsoe、德国Sunfire。2022年是国内电解槽发展的元年，相比碱性电解槽的一片火热，SOEC就显得要清静许多。一方面，SOEC的技术流派相对小众，上海硅酸盐研究所、上海应用物理研究所、宁波材料技术研究所、清华大学等科研院校是国内SOFC/SOEC技术研究的重地；另一方面，SOEC仍然处于走出实验室放大的阶段，产品成熟度和放量能力还在提升。国内企业来看，潮州三环具有50年电子陶瓷生产经验，是国内SOFC领域的龙头企业；其他代表企业还包括宁波索福人、质子动力、臻泰能源等。

1. SOEC独辟蹊径，辟在高温

高温是一把双刃剑。不同于碱性、PEM等常温电解水制氢方式，SOEC的工作温度达到650-850℃。高温带来了低电耗的优势，但也对电解槽材料的耐久性和稳定性提出了更高要求。

1.1 高温固体氧化物电解水制氢（SOEC）

SOEC的原理是在高温条件下（650-850℃）电解水蒸气制氢，总反应为2H₂O→2H₂+O₂。根据电解质传导的电荷类型不同，SOEC可分为氧离子传导型SOEC和质子传导型SOEC；根据结构的不同，SOEC又可分为平板式和管式SOEC。目前主要发展的是平板式氧离子传导型SOEC。

SOEC电解槽由氢电极层、电解质层、氧电极层构成。氢电极为多孔陶瓷结构，例如Ni-YSC金属陶瓷，负责导通电子，传输水蒸气及生成的氢气；电解质为致密的钙钛矿类陶瓷（如YSZ），可导通O^2-；氧电极为多孔陶瓷结构（例如LSM），可导通O^2-，传输空气及生成的氧气。当在电解池外部施加一定电压时，在电动势作用下，氢电极处的H₂O在Ni的催化下，分解为H₂与O^2-（H₂O+2e^-→H₂+O^2-）；产生的O^2-穿过电解质层到达氧电极，在催化剂作用下失去电子生成O₂（2O^2-→ O₂+4e^-）。

1.2 SOEC材料以陶瓷粉体为主，成本较低

类似于碱性和PEM，SOEC系统也包括电堆和BOP辅助系统两大块。电堆是SOEC系统的核心，主要由陶瓷材料如YSZ、LSM等构成，相比于PEM原材料中的铂族贵金属，SOEC所用陶瓷材料成本较低。在BOP辅助系统中，蒸汽发生器、换热器、压缩机等较为关键。

1.3 高温环境下，电耗大大降低，但材料也更容易衰减

温度越高，电解水制氢所需的电耗越低。电解水制氢的能量来源由电能和热能两部分构成：ΔH（反应发生需要吸收的能量，常数）=ΔG（吉布斯自由能变化，代表电能）+T（温度）ΔS（反应的熵变，常数）。相比碱性和PEM常温电解水制氢，其主要依赖电能拆开氢氧键；但在SOEC电解水制氢中，热能提供了更多的能量，相应电耗也更低。

长期的高温高湿运行环境对材料造成衰减，影响电解槽使用寿命。目前限制SOEC使用寿命的主要是阴极和阳极材料。对于阴极材料，目前使用最多的是Ni-YSZ金属陶瓷复合材料，在高温水蒸气的环境下，单质Ni容易氧化并蒸发造成镍元素流失，降低电极的催化性能；对阳极材料，目前常用LSM、LSCF，在长期水蒸气高温下，易出现分层、开裂等问题。

2.电池片的制备和密封技术决定SOEC的性能优劣，未来降本依靠良品率提升及供应链成熟化

SOEC单电池最后的成型与陶瓷片相像，其制备过程和陶瓷的烧结也类似。由于SOEC单电池很薄，单电池面积过大容易发生脆裂；在单电池堆叠成电堆的过程中，堆叠片数过多也容易使薄片中间受力过多，发生脆裂。此外，长期在650-850℃高温下工作，并且频繁的启停，对电池片的密封材料也提出了更高的要求。

2.1  电池片的制备和密封是影响SOEC性能的关键

SOEC电池片的制备类似陶瓷烧制，关键环节包括浆料制备-平板流延-叠压-烧结-丝网印刷。SOEC电池片由阴极、阳极和电解质三部分组成，可选取其中一种作为支撑体（起支撑作用），其他两部分作为膜贴附在支撑体上。

以电解质作支撑体为例，①将电解质YSZ粉体与黏结剂等其他辅助材料混合形成稳定的浆料，此处浆料的配方是关键，不同厂家的浆料配比不同；②在流延机中，用刮刀推动浆料在光滑的玻璃杯上涂抹均匀，形成一片片薄膜层（每一层流延的YSZ生坯约30μm厚度），待干燥后取下；③待薄膜干燥后，把多层流延成型的薄片通过热压堆叠在一起（通常由10层左右堆叠，生坯在300μm厚度），同时加入1-2层阳极薄膜；④叠压后的生坯经过激光切割成方形，在1000-3000℃下烧结，形成电解质+阳极层陶瓷片；⑤丝网印刷电池片的阴极薄膜，和电解质+阳极层一起再次烧结，得到成型的SOEC单电池片，最后将单电池片堆叠成电堆。

电池片的密封技术也十分关键，影响SOEC的耐久性和效率。密封材料的功能包括①防止氢气和氧气在电堆内混合，保持良好的气密性；②将阳极-电解质-阴极-连接板粘结在一起组成电堆；③将连接板边缘绝缘分开，防止连接板电流短路。SOEC的运行环境严酷，需在650-850℃的高温下长时间工作，还有启动和停止导致的急速升温和降温，密封材料要在这样的环境中也能稳定发挥性能，保持高度的气密性和耐受性。玻璃和玻璃陶瓷是板式SOEC普遍采用的密封材料，研究人员也在通过探索新型结构、开发新材料等提升密封性能。

2.2 SOEC的降本路径：产线良品率提升、供应链规模化

目前国内SOEC的自动化生产程度还不高，规模化程度较低，制造成本较高；若仅从材料角度考虑，电堆的材料成本为1352元/kW=①电池片材料成本+②框架材料成本+③密封材料成本。未来SOEC系统成本的下降来自制备工艺成熟带来的产线良品率提升，以及供应链成熟化和规模化。

①YSZ支撑的电池片主要材料包括LSCF、YSZ、CGO等粉体，考虑70%的离岸价、15%的电池片废品率，电池片的材料成本为278元/kW。

②框架结构包括互联体、进气歧管、集流装置和负载框架，采用Crofer 22APU材料加工，Crofer 22APU价格254元/kg；每个SOEC堆集成160个电池片，每20个电池片构成一个电堆重复单元，每一个电堆重复单元的Crofer 22APU材料用量9.95kg，每个SOEC电堆材料用量79.6kg，框架材料成本831元/kW。

③SOEC电堆的密封需要用到玻璃密封胶和银浆，价格为6000元/kg，单个电池片用量6.16g，密封材料成本243元/kW。

3. SOEC技术独成一派，静待产业化成熟花开

2022年可以说是国内电解槽发展的元年，相比碱性的一片火热，SOEC就显得要清静许多。一方面，SOEC的技术流派相对小众，上海硅酸盐研究所、上海应用物理研究所、宁波材料技术研究所、清华大学等科研院校是国内SOFC/SOEC技术研究的重地；另一方面，SOEC仍然处于走出实验室放大的阶段，产品成熟度和放量能力还在提升。SOFC/SOEC的可逆性极强，两者制备过程及所用材料基本一致，不管是国内外，从事SOEC的企业大多是从SOFC转型而来。目前，海外SOFC/SOEC企业的产品成熟度要领先于国内，代表企业有美国Bloom Energy、丹麦Topsoe、德国Sunfire。

潮州三环是国内SOFC领域的龙头企业，由于SOFC的制备和陶瓷片类似，公司50年电子陶瓷生产经验有很大附加优势，公司2015年收购了澳大利亚CFCL公司，获得其电堆和小功率SOFC系统技术基础，2016年将SOFC专利授权SOLID Power公司使用，并且为其供应单电池；2017年开始向国内市场推出SOFC电堆。目前公司已成为全球最大的SOFC电解质隔膜供应商，是SOFC巨头Bloom Energy核心供应商，持续获大订单。

臻泰能源成立于2016年，由毕业于丹麦技术大学的胡强博士和吴剑博士联合创办，主要产品有新型ZTSOC高温燃料电池片、电堆及其集成应用系统，2023年7月公司完成近亿元融资。质子动力成立于2019年，在徐州、青岛两地拥有电池片及系统生产基地。公司已在青岛落地SOEC电池片及单电堆生产线，一期设计产能1MW/年，二期设计产能10MW/年，目前公司正在为二期投产做准备。

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