产业深度01期：新型电解水制氢技术路线（一），SOEC独辟蹊径，静待花开

产业深度 产业研究中心 2023.09.27，01期 作者：陈磊 电话：021-38038037 邮箱：chenlei022459@gtjas.com 资格证书编号：S0880522060001 作者：王浩 电话：0755-23976068 邮箱：wanghao013539@gtjas.com资格证书编号：S0880513090004 作者：鲍雁辛 电话：0755-23976830 邮箱：baoyanxin@gtjas.com 资格证书编号：S0880513070005 新型电解水制氢技术路线（一）：SOEC独辟蹊径，静待花开 摘要： 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 往期回顾 中国光伏步入新征程，强者恒强构筑健康生态 2023.09.18 光伏技术变革推动产业进步，降本增效谱写壮志蓝图 2023.09.18 机器人产业深度（五）：机器人的触觉— —六维力矩传感器 2023.09.17 光伏银浆产业研究展望：格局持续优化，银电极主流地位不改——新能源产业研究系列（十一） 2023.09.09 以“生命周期”视角看未来十年宠物产业投资 2023.09.07 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BloomEnergy、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。 风险提示：技术突破不及预期、成本下降不及预期、产业政策不及预期 目录 1.SOEC独辟蹊径，辟在高温3 1.1.高温固体氧化物电解水制氢（SOEC）3 1.2.SOEC材料以陶瓷粉体为主，成本较低3 1.3.高温环境下，电耗大大降低，但材料也更容易衰减4 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5 2.1.电池片的制备和密封是影响SOEC性能的关键5 2.2.SOEC的降本路径：产线良品率提升、供应链规模化6 3.SOEC技术独成一派，静待产业化成熟花开8 4.风险提示10 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。图1：SOEC电解槽制氢原理 资料来源：SOEC（固体氧化物电解质）电解水再科普 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O2-；氧电极为多孔陶瓷结构（例如LSM），可导通O2-，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O2-（H2O+2e-→H2+O2–）；产生的O2–穿过电 解质层到达氧电极，在催化剂作用下失去电子生成O（22O2–→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。 图2：SOEC电解水系统结构图3：SOEC电堆结构 资料来源：势银绿氢产业发展蓝皮书资料来源：东芝能源系统株式会社 表1：SOEC电解水系统核心部件 常用材料 作用 电堆 电解质 YSZ（钇稳定氧化锆） 传导氧离子或质子，隔绝氢气和氧气 阴极 Ni-YSZ（氧化镍+钇稳定氧化锆） 原料水分解的场所 阳极 LSM（镧锶锰）、LSCF（镧锶钴） 产生氧气的场所 密封垫片 云母/热塑性材料 避免气体和液体泄漏 内部连接管 不锈钢 将单体电池连接起来 BOP 蒸汽发生器 - 将原料水高温转化为水蒸气 换热器 - 将热流体的部分热量传递给冷流体的设备 干燥器 干燥器（碳钢） 去除氢气中的水蒸气，并冷却至常温 资料来源：2023中国SOEC&SOFC系统行业蓝皮书，国泰君安证券研究 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。 图4：温度越高，电解水制氢所需的电耗越低 资料来源：高温固体氧化物电解制氢技术发展现状与展望 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。 图5：SOEC单电池成型后类似陶瓷片 资料来源：清华大学固体氧化物燃料电池实验室 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。 图6：不同电解质、阳极、阴极分别作为支撑体的结构 资料来源：固体氧化物燃料电池的制备工艺 以电解质作支撑体为例，�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。 图7：SOEC电堆的制备工艺 资料来源：质子动力 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�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。 表2：关键参数假设 参数 数值 工作电压 1.3V 电流密度 0.9A/cm2 功率密度 1.17w/cm2 单电池片实际面积 169cm2（13cm*13cm） 单电池片有效面积 130cm2 单电池片功率 0.152kW 资料来源：Bottom-upcostevaluationofSOECsystemsintherangof10-100MW 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。 表3：电池片材料报价及用量 价格用量 材料 材料成本元/cell 元/kg g/cell 原材料 考虑15%废品率 LSCF 1152 2.8 4.61 5.42 YSZ 768 14.9 16.34 19.23 CGO 1440 2.6 5.35 6.29 NiO/CGO 768/1440 3.2 5.05 5.94 有机溶剂 - 24.5 4.56 5.36 总成本 - - 35.91 42.24 数据来源：基于中国市场的SOEC电堆自下而上的成本分析 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Crofer22APU材料加工，Crofer22APU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Crofer22APU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。 表4：框架结构材料及用量 框架组件 材料 每个电堆重复单元材料用量kg 互联体 Crofer 22APU 2.62 进气歧管 Crofer 22APU 4.77 集流装置 Crofer 22APU 1.03 负载框架 Cro