這臺(tái)設(shè)備把二氧化碳變?nèi)剂?/h1>
2022-12-20 01:28:14洪恒飛
中國(guó)科技財(cái)富 2022年10期
文／洪恒飛 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。”中科院寧波材料所燃料電池技術(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?！惫偃f(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、CH4、NH3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。
（文章來(lái)源：《科技日?qǐng)?bào)》）
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“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。”中科院寧波材料所燃料電池技術(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?！惫偃f(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%。
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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。
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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、CH4、NH3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。
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