太阳能蒸汽集成下100 kW固体氧化物电解槽系统的设计点、部分负载及年性能分析

本文聚焦固体氧化物电解槽(SOEC)与太阳能蒸汽系统的集成优化，通过数值模拟分析了100 kW模块化SOEC在满负荷、部分负荷、热备用和夜间模式四种工况下的性能指标(KPI)，提出112 kg/h的空气流量优化方案，实现86.2%的电氢转换效率(38.7 kWhe/kgH2)和53.2%的太阳能蒸汽驱动占比，为高温电解制氢技术提供关键设计参考。

　　

亮点

本研究通过数值模拟揭示了太阳能蒸汽驱动固体氧化物电解槽(SOEC)系统的优化路径，创新性地将100 kW模块化电解槽与聚光太阳能热(CST)系统耦合，在满足氧含量<33%、温度梯度<15 K/cm等严格约束条件下，实现了电氢效率突破86%的行业标杆。

工艺流程图

构建包含7个热交换器的流程示意图(PFD)是系统集成的关键第一步。典型配置涉及阳极/阴极气流热回收单元，以及空气加热器、燃料加热器等辅助组件。特别值得注意的是，蒸汽发生器采用太阳能直接驱动设计，通过精确控制换热网络实现热量的梯级利用。

基于LSM 100 kW SOEC运行条件的优化

针对该电解槽的特殊限制条件，研究团队制定了动态控制策略：

• 阳极侧氧体积分数严格控制在33%安全阈值以下

• 堆栈温度梯度维持在15 K/cm以内以延长寿命

• 采用四组25 kW堆栈模块化设计应对负载波动

通过112 kg/h的优化空气流量，成功平衡了系统效率与安全性的矛盾。

结论

这项研究证实了SOEC技术与太阳能热化学转化的完美协同效应。在西班牙塞维利亚的实测数据表明，集成系统每年有53.2%的时间可完全由太阳能蒸汽驱动，单模块氢产量达2.73 kg/h。这种"电-热"双输入模式为降低氢能平准化成本(LCOH)提供了新范式。

第二个结论

研究成果标志着高温电解技术向商业化迈出重要一步，特别适用于钢铁、化工等需要持续高温工艺热的工业场景。未来通过进一步优化热回收网络和开发耐衰减电极材料，有望将系统效率提升至90%以上。