寧波材料所在基于SOEC電解CO2合成燃料技術(shù)方面取得系列進(jìn)展
二氧化碳(CO2)循環(huán)高效再利用是實(shí)現(xiàn)“3060”雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑,其中基于電化學(xué)方法電解CO2合成燃料技術(shù)是重要的關(guān)鍵技術(shù)。目前基于電化學(xué)方法開展CO2電解合成燃料主流的技術(shù)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(shù)中,SOEC在高溫下將CO2高效的轉(zhuǎn)化為CO與O2,可以和可再生電能與廉價(jià)熱源耦合,綜合成本最低。此外,SOEC逆反應(yīng)還可以將化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)化為電能,即具有可逆特性。因此,SOEC在CO2循環(huán)高效利用領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛能與價(jià)值。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)SOEC電解CO2合成燃料技術(shù)的研究主要集中在如何提高恒定電流電解的運(yùn)行壽命與電池電極催化活性上,與SOEC在實(shí)際應(yīng)用條件中的差距較大。近年來(lái),中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所燃料電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)與可再生電力特性結(jié)合,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),取得了系列成果。
2019年,燃料電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)率先采用平管型結(jié)構(gòu)SOEC開展了CO2電解合成燃料的效率與穩(wěn)定性研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在H2與CO保護(hù)下,經(jīng)過(guò)120h的電解后電池衰減率分別為2.78%與3.84%,電池在CO、H2還原氛圍保護(hù)下表現(xiàn)出了一定的運(yùn)行穩(wěn)定性(Composites Part B: Engineering, 2019,166:549-554)。
2020年,燃料電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過(guò)電池性能的改善,進(jìn)一步研究了平管型結(jié)構(gòu)SOEC電解CO2的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性及其效率。結(jié)果顯示,平管型結(jié)構(gòu)SOEC在750 ℃與75 vol.%CO2-25 vol.%H2氣氛中,以300mA/cm2恒定電流密度電解CO2運(yùn)行接近2000h(文獻(xiàn)報(bào)道的最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間),衰減率為4.9%/kh。在電解CO2進(jìn)程中,CO2轉(zhuǎn)化率≥42%,CO生成速率≥180 mL/min,且該過(guò)程中的電解綜合能量轉(zhuǎn)化效率≥95%(Applied Energy, 259, 1141301, 2020)。
近兩年來(lái),燃料電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)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。首先研究了SOEC在二氧化碳電解與以富氫為燃料放電之間的周期性循環(huán)效率與穩(wěn)定性。研究結(jié)果顯示:電池經(jīng)歷26次624 h的可逆循環(huán)運(yùn)行,當(dāng)電池在以200 mAcm-2電流與初始電壓1.07V電解時(shí),CO2轉(zhuǎn)化率最高達(dá)45.7%,綜合轉(zhuǎn)化能量效率達(dá)81.4%(Applied Energy, 314, 118969, 2022)。
同時(shí),團(tuán)隊(duì)采用脈沖電流的策略模擬間歇性可再生電力的變化情況,開展了平管型結(jié)構(gòu)SOEC電解CO2的性能研究。結(jié)果顯示:平管型結(jié)構(gòu)電池在100~300 mAcm-2脈沖電流下進(jìn)行了100次循環(huán)運(yùn)行,運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約800 h。在經(jīng)歷100個(gè)循環(huán)后,電池在高電流密度沖擊下(300 mAcm-2)衰減了0.041%/cycle,且CO2電解轉(zhuǎn)化率達(dá)到了54.3%,在低電流密度沖擊(100、200 mAcm-2)下衰減率小于0.034%/cycle(Carbon Energy, DOI: 10.1002/cey2.262, 2022)。
通過(guò)前期多年的CO2電解合成燃料技術(shù)基礎(chǔ)研究,團(tuán)隊(duì)掌握了SOEC電解CO2合成燃料技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)變化特性。在此基礎(chǔ)上,近年來(lái)燃料電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)委托產(chǎn)業(yè)化孵化的浙江氫邦科技有限公司,開發(fā)了可進(jìn)行CO2電解及其可逆放電一體化的5kW功率樣機(jī)。該功率樣機(jī)為國(guó)內(nèi)首臺(tái)套5kW級(jí)的CO2可逆一體機(jī),同時(shí)可拓展到SOEC電解水制氫領(lǐng)域,具有多功能的特點(diǎn)。
上述工作得到了中科院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計(jì)劃從0到1原始創(chuàng)新項(xiàng)目(ZDBS-LY- JSC021)支持。

圖1 CO2電解運(yùn)行的長(zhǎng)期穩(wěn)定性

圖2 CO2電解與氫燃料下放電的可逆循環(huán)運(yùn)行曲線

圖3 脈沖循環(huán)CO2電解運(yùn)行曲線

圖4 5kW級(jí)的CO2電解與放電可逆一體機(jī)
(新能源所 武安祺)