工作溫度的選擇準則

電解水制氫技術可以在不同的工作溫度下進行，但如何確定最佳工作溫度是技術發展的關鍵問題。根據圖所示，在任意工作溫度T下，分解1摩爾水所需的能量關系可用以下熱力學公式表示：

ΔH(T,1) = ΔG(T,1) + T·ΔS(T,1)

其中，ΔH為水分解所需的總能量（與溫度無關），ΔG為電功（電能輸入），T·ΔS為熱能輸入。隨著工作溫度升高，熱能占比增大，電能需求相應減少，這是高溫電解的核心優勢。

選擇工作溫度的兩大標準

1. 經濟性：電能成本占比

工業應用中，電能成本是決定性因素。以歐洲市場為例：

- 工業供熱成本：1015歐元/MWh（利用工業廢熱時成本更低）

- 工業用電成本：50100歐元/MWh（約為熱成本的510倍）

由于熱力發電的卡諾效率限制（約30%），高溫電解的經濟性顯著優于低溫技術：

- 低溫電解（PEM/堿性）：46 kWh/Nm3 H?

- 高溫電解（固體氧化物電解池，SOEC）：3.4 kWh/Nm3 H?

此外，高溫電解可直接利用200300℃的工業廢熱（足以使水汽化，而汽化熱是水分解反應的重要能量項），進一步降低運營成本。

2. 技術成熟度：材料與工藝限制

盡管高溫電解在經濟性上占優，但技術成熟度仍是瓶頸，主要面臨兩大挑戰：

- 材料科學問題：高溫下不同材料的熱膨脹系數差異導致界面分層、互擴散，引發性能不可逆衰減。

- 密封與泄漏：高溫高壓環境下，現有材料的密封性不足，限制未來高壓高溫電解技術的規模化應用。

結論

高溫電解（如SOEC技術）在能效和成本上更具潛力，尤其適合整合工業廢熱資源，但其商業化需突破材料穩定性與系統密封性的技術障礙。后續章節將深入探討這些問題的解決方案。