SOEC-CH4产品是基于“SOEC电解水耦合天然气制氢技术”研发的制氢模块,每个模块由若干个电堆配合BOP(Balance of Plant,周边辅助系统)共同组成,可根据使用场景和用氢需求定制单位模块的功率以及模块数量,再将所有模块堆叠起来,形成制氢装置。产品的输入是水(液态或气态)、CH4和电能,输出是高纯度H2(4N标准)和易捕集的高浓度CO2。该产品制氢成本低、反应效率高、原料易获得、产品易捕集;同时,由于模块化,还具有移动运输方便、可定制化程度高、管理成本低、对环境影响小的特点——极大降低了在城市内/城市周边建设制氢工厂的难度和成本。
在传统的SOEC中,在负极侧循环的是氢气和蒸汽的混合气,在正极侧循环的是氧气,系统的开路电压为0.8-0.9V,具体取决于氢气/蒸汽比以及工作温度;为了电解水则必须施加高于开路电压的电压,以便将氧气从负极泵送至正极;显然所用的大部分电力(总电力的70%左右)用于迫使电解槽逆氧的化学势梯度运行。当天然气引入正极后,天然气的还原特性有助于降低电解槽两侧的电化学势差,天然气可以消耗电解产生的氧气,从而降低电解槽两侧的电位差(~1V),从而减少电解水的电耗。
电堆的反应过程如下图所示:
正极反应的产物为CO2和蒸汽,经冷凝干燥后得到纯CO2,便于CO2捕集。该反应以等能量单位的天然气替代电能,使得最终反应的电耗仅为纯电解水反应的四分之一;天然气的消耗仅为传统热化学重整制氢消耗量的50%~60%。
单个电堆参数如下表所示,整体产氢速率为1.5Nm3/h,电解电耗11.2kWh/kg,电堆的效率≥95%。
表1. 电堆科技SOEC-CH4单电堆参数指标说明
图3:BOP和电堆共同组成SOEC-CH4制氢系统,目前开发的单电堆系统示意如下:
首先,甲烷流经集成加热器的热交换加热器1,通过从电堆尾气中回收热量并将其加热至反应温度(700℃),然后热甲烷进入电堆正极部分;电堆氢气产物通过冷凝器1将氢气干燥并给液态水供给热量,热水流经热交换加热器2,通过从电堆尾气中回收热量形成蒸汽并将其加热至反应温度(700℃),然后过热蒸汽进入电堆负极部分;电堆尾气流经热交换加热器2与热交换加热器1降温后通过冷凝器2将二氧化碳干燥。该系统参数见下表。
表2. 电堆科技SOEC-CH4单电堆系统参数
该单电堆系统的各项参数均达到国内外顶尖标准。
图4:再将该系统置入搭配可视化操作界面的箱体,即为一个完整产品,SOEC-CH4 制氢设备外形示意图如下:
客户可根据实际场景与需求,定制不同规模的SOEC-CH4模块以及模块数量,搭建制氢工厂。
在不久的将来,SOEC-CH4产品不仅能以单台小型制氢设备的形态出现,还将促进撬装制氢站的发展,甚至取代一部分现有的热化学制氢工厂,推动制氢技术向更高效、更环保、更安全、更经济的电化学制氢工厂发展。
电堆科技即将于3月25日-3月27日参加2024北京国际氢能技术装备展览会;同期于3月26日-3月28日参加2024中国国际氢能及燃料电池产业展览会。
电堆科技期待与您共襄盛会,共话氢能未来!
