【科技日?qǐng)?bào)】實(shí)現(xiàn)電能—化學(xué)能—電能交替轉(zhuǎn)變 這臺(tái)設(shè)備把二氧化碳變?nèi)剂?/p>

文章來(lái)源:寧波材料技術(shù)與工程研究所  |  發(fā)布時(shí)間:2022-09-21  |  【打印】 【關(guān)閉

  

  ◎洪恒飛 本報(bào)記者 江 耘

  近日,記者從中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中科院寧波材料所)獲悉,由該所燃料電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)與浙江氫邦科技有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的5千瓦級(jí)CO2電解及其可逆一體機(jī)樣機(jī)近日在浙江寧波下線,該設(shè)備每小時(shí)可轉(zhuǎn)化1.5立方米至2.1立方米CO2。

  “二氧化碳循環(huán)高效再利用是實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)的重要途徑?!敝锌圃簩幉ú牧纤剂想姵丶夹g(shù)團(tuán)隊(duì)研究員官萬(wàn)兵介紹,團(tuán)隊(duì)就自主研發(fā)的平管型固體氧化物電解池不斷迭代優(yōu)化,開(kāi)發(fā)的這一設(shè)備在儲(chǔ)能和碳循環(huán)方面具有較大應(yīng)用潛力,具備推廣示范水準(zhǔn),在國(guó)際上處于領(lǐng)先水平。

  探析參數(shù)特性 提升電池性能

  基于電化學(xué)方法開(kāi)展CO2電解合成燃料的現(xiàn)有技術(shù)主要包括低溫溶液電池、熔融碳酸鹽電池以及固體氧化物電池三種。其中,固體氧化物電池除了可在高溫下將CO2高效轉(zhuǎn)化為CO與O2,用于制備乙烯和乙醇外,還能和可再生電能與廉價(jià)熱源耦合,綜合成本最低。

  此外,由于固體氧化物電池可分為發(fā)電模式和電解池模式,逆反應(yīng)下還可以將氫氣、天然氣等燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,因此,在CO2循環(huán)高效利用領(lǐng)域極具應(yīng)用價(jià)值。

  “耦合是指固體氧化物電池運(yùn)行時(shí)需要的電能由可再生能源產(chǎn)生的電能提供。”官萬(wàn)兵解釋說(shuō),利用這些特性,團(tuán)隊(duì)基于自主研發(fā)的平管型固體氧化物電池,發(fā)展了具有實(shí)際應(yīng)用能力的CO2電解合成燃料關(guān)鍵技術(shù)。

  比如2020年,該團(tuán)隊(duì)通過(guò)改善電池性能,研究了平管型結(jié)構(gòu)固體氧化物電池電解CO2的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性及其效率。結(jié)果顯示,在750℃下,CO2與H2濃度分別為75%與25%的氣氛環(huán)境中,以特定恒定電流密度電解CO2運(yùn)行接近2000小時(shí),刷新此前公開(kāi)文獻(xiàn)介紹的最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間,衰減率為每千小時(shí)4.9%。

  “這一狀態(tài)下,在電解CO2進(jìn)程中,CO2轉(zhuǎn)化率可達(dá)42%,電解綜合能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)95%以上?!惫偃f(wàn)兵說(shuō),在此基礎(chǔ)上,團(tuán)隊(duì)近兩年緊密結(jié)合可再生電力的儲(chǔ)能需要,率先開(kāi)展了耦合可再生電力特性的CO2電解合成燃料技術(shù)研究。

  通過(guò)數(shù)年基礎(chǔ)研究工作,團(tuán)隊(duì)得以掌握固體氧化物電池電解CO2合成燃料技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)變化特性。

  官萬(wàn)兵表示,電池的制備工藝、性能、效率、穩(wěn)定性、衰減機(jī)理的研究主要是基于單電池,團(tuán)隊(duì)將單電池的性能提升到一定標(biāo)準(zhǔn)后,開(kāi)始研制千瓦級(jí)固體氧化物電堆的制備與封裝工藝,千瓦級(jí)電堆技術(shù)成熟后,逐步實(shí)現(xiàn)規(guī)模擴(kuò)大化。

  逐級(jí)挑戰(zhàn)功率 制備多功能機(jī)

  2020年底,中科院寧波材料所燃料電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江氫邦科技有限公司,啟動(dòng)CO2電解及其可逆放電一體化的研制工作,于2022年3月份初步研制成功。

  “在此基礎(chǔ)上,5千瓦級(jí)功率樣機(jī)的研制計(jì)劃也提上日程?!惫偃f(wàn)兵介紹,所謂“電解及可逆放電一體化”,顧名思義,是指設(shè)備樣機(jī)可以通過(guò)設(shè)置程序模式實(shí)現(xiàn)兩種模式交替操作,從而實(shí)現(xiàn)電能—化學(xué)能—電能的交替轉(zhuǎn)變。

  值得一提的是,由于固體氧化物電池中鎳基電極的多燃料適用性,燃料包括CO2、CO、CH2、NH2等氣體,該設(shè)備既可以催化電解CO2,還可以用于電解水制氫。

  記者了解到,為了使樣機(jī)電解CO2的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)電解水以及甲烷濕重整,團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了適用于燃料電池發(fā)電模式下的汽化器,同時(shí)研制了超低流阻、低成本、高性能換熱器,主要用于尾氣能量的回收處理。

  據(jù)介紹,5千瓦級(jí)可逆一體機(jī)造價(jià)在100萬(wàn)元左右,其中核心部件電解池預(yù)計(jì)壽命在20000小時(shí),因成本低,屬于易耗部件,可定期更換,該裝備壽命總體可達(dá)10年以上。

  談及推廣應(yīng)用,官萬(wàn)兵認(rèn)為,5千瓦級(jí)固體氧化物電池可逆一體機(jī)要在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還需克服裝備成本偏高等問(wèn)題,團(tuán)隊(duì)希望電解池的壽命能進(jìn)一步突破到40000小時(shí)以上。

  官萬(wàn)兵表示,未來(lái)團(tuán)隊(duì)會(huì)對(duì)電池的波動(dòng)性、可逆性進(jìn)行深入研究,以提升固體氧化物電池各方面性能。而在電解設(shè)備方面,會(huì)嘗試加入更多的功能,實(shí)現(xiàn)智能化操作,再著手開(kāi)發(fā)百千瓦級(jí)的CO2電解合成燃料一體機(jī),為國(guó)內(nèi)CO2資源循環(huán)利用提供新的技術(shù)路線參考。

 ?。ㄔ陌l(fā)布于2022年9月21日《科技日?qǐng)?bào)》第5版)

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