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儀器網 行業要聞】隨著我國工業化、信息化程度的提高及工業革命以來所形成的產業結構,使我們的工業生產對化石
能源產生極大的依賴。但同時,由于煤、石油和天然氣等傳統化石燃料的過度使用已經在世界引發了一系列亟需解決的環境問題。其中,影響最大的就是所謂的“溫室效應”,正是大氣中過高濃度的二氧化碳所導致的。
節能、降本、增效是所有經濟活動永恒的主題之一。國家能源局明確提出,“十四五”時期,我國將全力推進能源領域碳達峰方案落地實施,推動能源綠色低碳轉型和高質量發展。“十四五”時期是為力爭在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和打好基礎的關鍵時期,必須協同推進能源低碳轉型與供給保障,加快能源系統調整以適應新能源大規模發展,推動形成綠色發展方式和生活方式。因此,充分有效的利用空氣中過量的二氧化碳成為目前解決環境以及能源問題的重中之重。
碳循環是一個氧化-還原過程,大氣中二氧化碳的積累本質是人類活動所引起的碳氧化(燃燒)與還原的不對稱性,一定程度上實現減少使用碳或還原使用二氧化碳是實現低碳化的本質。其實,二氧化碳作為一種經濟的、安全的、可持續的碳氧資源化合物,將其轉化為液體燃料、
化學品的發展潛力巨大。
但由于二氧化碳化學性質非常穩定,需要施加額外的能量才能夠使其活化、轉化。目前,在實際工業過程中能夠利用二氧化碳的反應不多,通常需要高溫、高壓等較為苛刻的反應條件,是高能耗、低效率的過程。
近年來,電化學還原二氧化碳的研究在世界范圍內掀起了熱潮,大量的重要成果不斷涌現。目前基于電化學方法開展二氧化碳電解合成燃料的主流技術主要包括低溫溶液電池、熔融碳酸鹽電池(MCEC)以及固體氧化物電池(SOEC)三種。在上述三種技術中,SOEC在高溫下將二氧化碳高效地轉化為一氧化碳與氧氣,可以和可再生電能與廉價熱源耦合,綜合成本最低。此外,由于固體氧化物電池可分為發電模式和電解池模式,逆反應下還可以將氫氣、天然氣等燃料化學能轉化為電能,因此,在二氧化碳循環高效利用領域極具應用價值。
2019年,中國科學院寧波材料技術與工程研究所燃料電池技術團隊率先采用平管型結構SOEC開展了二氧化碳電解合成燃料的效率與穩定性研究。結果發現:在氫氣與一氧化碳保護下,經過120小時的電解后電池衰減率分別為2.78%與3.84%,電池在一氧化碳、氫氣還原氛圍保護下表現出了一定的運行穩定性。
2020年,團隊通過改善電池性能,研究了平管型結構固體氧化物電池電解二氧化碳的長期運行穩定性及其效率。結果顯示,在750℃下,二氧化碳與氫氣濃度分別為75%與25%的氣氛環境中,以特定恒定電流密度電解二氧化碳運行接近2000小時,刷新此前公開文獻介紹的最長運行時間,衰減率為每千小時4.9%。
2021年底,團隊聯合浙江氫邦科技有限公司,啟動二氧化碳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。所謂“電解及可逆放電一體化”,顧名思義,是指設備樣機可以通過設置程序模式實現兩種模式交替操作,從而實現電能-化學能-電能的交替轉變。并且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,該設備既可以催化電解二氧化碳,還可以用于電解水制氫。
為了使樣機電解二氧化碳的同時可實現電解水以及
甲烷濕重整,團隊還自主研發了適用于燃料電池發電模式下的汽化器,同時研制了
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。目前,該5千瓦級可逆一體機造價在100萬元左右,其中核心部件電解池預計壽命在20000小時,因成本低,屬于易耗部件,可定期更換,該裝備壽命總體可達10年以上。
如今,二氧化碳的還原和利用備受各方的廣泛關注,作為一種重要的溫室氣體和工業生產中普遍生產的廢氣,對其進行資源化利用對于環境和工業生產來說均意義重大,是近年來人們不斷努力的方向。盡管5千瓦級固體氧化物電池可逆一體機要想在短時間內實現商業化,還需要克服裝備成本偏高等問題,但可以相信,隨著未來團隊繼續對電池的波動性、可逆性進行深入研究,固體氧化物電池各方面性能也將被提升。該項設備的開發,為國內二氧化碳資源循環利用提供了新的技術路線參考。
(資料參考來源:寧波材料技術與工程研究所、科技日報)
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