科普 | 电解水制氢的最佳工作温度

工作温度的选择准则

电解水制氢技术可以在不同的工作温度下进行，但如何确定最佳工作温度是技术发展的关键问题。根据图所示，在任意工作温度T下，分解1摩尔水所需的能量关系可用以下热力学公式表示：

ΔH(T,1) = ΔG(T,1) + T·ΔS(T,1)

其中，ΔH为水分解所需的总能量（与温度无关），ΔG为电功（电能输入），T·ΔS为热能输入。随着工作温度升高，热能占比增大，电能需求相应减少，这是高温电解的核心优势。

选择工作温度的两大标准

1. 经济性：电能成本占比

工业应用中，电能成本是决定性因素。以欧洲市场为例：

- 工业供热成本：1015欧元/MWh（利用工业废热时成本更低）

- 工业用电成本：50100欧元/MWh（约为热成本的510倍）

由于热力发电的卡诺效率限制（约30%），高温电解的经济性显著优于低温技术：

- 低温电解（PEM/碱性）：46 kWh/Nm³ H₂

- 高温电解（固体氧化物电解池，SOEC）：3.4 kWh/Nm³ H₂

此外，高温电解可直接利用200300℃的工业废热（足以使水汽化，而汽化热是水分解反应的重要能量项），进一步降低运营成本。

2. 技术成熟度：材料与工艺限制

尽管高温电解在经济性上占优，但技术成熟度仍是瓶颈，主要面临两大挑战：

- 材料科学问题：高温下不同材料的热膨胀系数差异导致界面分层、互扩散，引发性能不可逆衰减。

- 密封与泄漏：高温高压环境下，现有材料的密封性不足，限制未来高压高温电解技术的规模化应用。

结论

高温电解（如SOEC技术）在能效和成本上更具潜力，尤其适合整合工业废热资源，但其商业化需突破材料稳定性与系统密封性的技术障碍。后续章节将深入探讨这些问题的解决方案。