這臺設備把二氧化碳變燃料

文／洪恒飛 江 耘

近日，記者從中國科學院寧波材料技術與工程研究所（以下簡稱中科院寧波材料所）獲悉，由該所燃料電池技術團隊與浙江氫邦科技有限公司聯合開發的5千瓦級CO2電解及其可逆一體機樣機近日在浙江寧波下線，該設備每小時可轉化1.5立方米至2.1立方米CO2。

“二氧化碳循環高效再利用是實現‘雙碳’目標的重要途徑。”中科院寧波材料所燃料電池技術團隊研究員官萬兵介紹，團隊就自主研發的平管型固體氧化物電解池不斷迭代優化，開發的這一設備在儲能和碳循環方面具有較大應用潛力，具備推廣示范水準，在國際上處于領先水平。

探析參數特性 提升電池性能

基于電化學方法開展CO2電解合成燃料的現有技術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CO2循環高效利用領域極具應用價值。

“耦合是指固體氧化物電池運行時需要的電能由可再生能源產生的電能提供。”官萬兵解釋說，利用這些特性，團隊基于自主研發的平管型固體氧化物電池，發展了具有實際應用能力的CO2電解合成燃料關鍵技術。

比如2020年，該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CO2的長期運行穩定性及其效率。結果顯示，在750℃下，CO2與H2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CO2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%。

“這一狀態下，在電解CO2進程中，CO2轉化率可達42%，電解綜合能量轉化效率達95%以上。”官萬兵說，在此基礎上，團隊近兩年緊密結合可再生電力的儲能需要，率先開展了耦合可再生電力特性的CO2電解合成燃料技術研究。

通過數年基礎研究工作，團隊得以掌握固體氧化物電池電解CO2合成燃料技術的關鍵技術參數變化特性。

官萬兵表示，電池的制備工藝、性能、效率、穩定性、衰減機理的研究主要是基于單電池，團隊將單電池的性能提升到一定標準后，開始研制千瓦級固體氧化物電堆的制備與封裝工藝，千瓦級電堆技術成熟后，逐步實現規模擴大化。

逐級挑戰功率 制備多功能機

2020年底，中科院寧波材料所燃料電池技術團隊聯合浙江氫邦科技有限公司，啟動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。

“在此基礎上，5千瓦級功率樣機的研制計劃也提上日程。”官萬兵介紹，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。

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，為了使樣機電解CO2的同時可實現電解水以及甲烷濕重整，團隊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。

據介紹，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。

談及推廣應用，官萬兵認為，5千瓦級固體氧化物電池可逆一體機要在短期內實現商業化還需克服裝備成本偏高等問題，團隊希望電解池的壽命能進一步突破到40000小時以上。

官萬兵表示，未來團隊會對電池的波動性、可逆性進行深入研究，以提升固體氧化物電池各方面性能。而在電解設備方面，會嘗試加入更多的功能，實現智能化操作，再著手開發百千瓦級的CO2電解合成燃料一體機，為國內CO2資源循環利用提供新的技術路線參考。

（文章來源：《科技日報》）