基于外部热源和电解槽热力学性能的固体氧化物电解制氢排放强度指数创新研究

研究人员针对高温电解制氢过程中缺乏统一排放评估标准的问题，开展了SOE（固体氧化物电解）技术结合生物质直接燃烧（DC）系统的排放强度研究。通过建立氢排放强度指数（IEH2），首次量化了SOE堆栈工作电压、BoP系统参数与碳排放的关联性，发现电解质厚度增加可降低排放强度但会牺牲热力学性能。该研究为优化可再生能源制氢提供了重要工具，成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注。欧盟通过《可再生能源指令III》（RED III）设定了可再生氢3.38 kg CO_2eq/kg H₂的排放标准，但现有评估体系存在明显缺陷：不同电解技术（如碱性电解AE、质子交换膜PEM和固体氧化物电解SOE）的碳排放特性差异显著，特别是高温电解（HTE）需要外部热源供应蒸汽，其排放强度计算缺乏标准化方法。更棘手的是，当使用生物质能源（BE）等可再生热源时，传统评估方法无法准确反映电解槽热力学性能与碳排放的关联性。

针对这一技术空白，Polytechnic University of Catalonia的J. El Mariachet团队联合其他研究人员创新性地提出了氢排放强度指数（IE_H2），专门用于评估采用森林管理残留物（FMR）作为燃料的直接燃烧（DC）系统耦合SOE的碳排放特性。这项发表在《International Journal of Hydrogen Energy》的研究，首次将SOE堆栈的工作电压、电解质厚度等热力学参数与平衡装置（BoP）的热交换效率等系统参数纳入排放评估体系。

研究团队主要采用三种关键技术方法：1）基于Butler-Volmer方程和Nernst电位的SOEC电化学建模；2）集成热交换器效能（ε）和DC热效率（η_th）的系统能量平衡分析；3）针对不同电解质厚度（d_el=8-16μm）的Area Specific Resistance（ASR）温度梯度模拟。研究数据来源于欧盟主要SOE制造商（如Sunfire?和TOPSOE?）的运营参数和地中海地区松树生物量研究。

【2. Electrolytic hydrogen generation】
研究首先对比了四种水电解（WE）技术，发现固体氧化物电解质（SOE）在923-1223K高温下运行时可利用外部热源，其效率高达90-100%，但热功率占比达23.52-23.80%。通过热力学公式ΔH=ΔG+T·ΔS，量化了不同温度下电能（ΔG）与热能（T·ΔS）的需求比例，为后续排放计算奠定理论基础。

【3. Thermodynamic analysis for the SOE-DC system】
建立SOEC单电池模型显示，工作电压（V_op）由能斯特电位（E_N）和过电位（V_act, V_conc, V_ohm）组成。在6000-12000 A/m²的线性区域，欧姆过电位主导V-j特性曲线。模拟发现增加电解质厚度会提升ASR_(T)，导致更多焦耳热（P_JOULE=ASR_(T)·j²），但可减少外部热需求。

【4. Hydrogen emissions intensity index】
创新性提出IE_H2=φ·(?_CO2/?_H2)计算公式，揭示排放强度与运行参数的定量关系：1）电解质厚度增加50%（12μm）可使IE_H2降低27%，但将内热操作区间缩小33%；2）热交换器效能ε从95%降至85%时，需增加d_el至16μm才能维持相同排放水平；3）系统效率η_system从0.9降至0.7时，IE_H2增幅达42%。

【5. Results and discussion】
关键发现包括：在1073K下，SOEC在V_op<>_tn（1.2987V）时处于内热模式，此时增加d_el可降低IE_H2但会提前触发外热模式转换。当d_el=8