kW級固態氧化物電解堆及產氫效能技術

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kW級固態氧化物電解堆及產氫效能技術

更新時間：2024-09-30 16:12

【技術簡介】
固態氧化物電解電池(Solid-oxide electrolysis cells，SOECs)是一種可以將電能轉化為燃料氣體的電轉氣裝置，具有優於其他常見電解技術的能量轉化效率。SOEC之運作方式是在高溫環境下，施加外部電流對進行水蒸氣電解以獲得氫氣。本項技術包括自行研製之燃料電極支撐型電解片以及國內首套自行組裝之kW級SOEC電解堆，並透過量測電壓-電流特性曲線以驗證兩者之電化學效能。單片電解片於750°C進行蒸氣電解，結果顯示當電流拉升至40 A時之產氫量可達0.31 L/min。電解片歷經高溫長時間(750°C持溫100小時)穩定性測試，結果顯示電解片並無顯著效能衰退。電解堆自組裝方式則是將電解片、金屬框架與金屬連接板依序疊合，並以陶瓷材料進行界面封裝。在電解堆效能驗證方面，則依序從單電解堆、五片裝電解堆至三十片裝(kW等級)電解堆，逐步放大規模進行蒸氣電解測試。結果顯示三十片裝電解堆於溫度750°C，電流於60 A與80 A時，產氫量分別為13.70 L/min與18.26 L/min，產氫效率則分別達到70.2 %與80.6 %。對比SOEC商規產品，該自組裝kW級電解堆已具備優異之效能水準。

圖1 國原院SOEC電解片/電解堆效能分析

【計畫規劃/技術應用】
本技術發展目的是為了配合國內2050淨零碳排之政策方向，進行SOEC電解產氫技術開發。研究內容包含電解片之研製、電解堆組裝與測試平台建置，以及電解片/電解堆之效能驗證。在電解片之研製，將選擇適合之電極材料，透過精進之陶瓷燒結技術提升電解片之可靠度。在電解堆組裝上，將憑藉連接板之流場與氣流分配設計，提升反應氣體之傳輸效能，以達到提升電解反應之功效。於電解效能驗證方面，引用以往燃料電池發展經驗，將蒸發器、電源供應器，以及儀控介面等元件進行整合，組裝成電解堆之測試平台。該平台可提供電解堆測試所需之進氣、熱能及電能，在設定參數下進行電解或電化學效能測試。本研究成果將可提供國內未來發展SOEC產氫技術之重要參考。

圖2 國原院開發之SOFC/SOEC雙工測試平台

【未來佈局】
未來將研究聚焦於balance of plant(BOP)組件之質能平衡計算，並依據計算結果進行規劃與設計SOEC系統架構，期許成為國內第一套kW級高溫產氫系統。系統之電熱效率方面，則會透過整合SOEC電解堆進行測試驗證。此外SOEC單元也可應用於整合能源系統(Integrated Energy System, IES)上，該系統可有效結合熱能、電能與氫能，依據工業應用情境提供最有效率之調度方式。因此研究將依據電化學及反應動力學理論基礎，規劃進行SOEC反應模組開發，以應用於模擬測試，包含即時之動態響應，以及穩態操作下之效能變化。在IES架構下，SOEC反應模組則會與其他硬體組件，如鍋爐、渦輪發電機等進行虛實整合測試，以分析熱電配比最佳化策略。

【連絡資訊】
姓名：黃亮維
電話：03-4711400分機6765
E-mail：i13501350@nari.org.tw