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高校/企业合撰Science综述:又一电解技术即将商业化!

时间:  2020-10-14 16:36   来源:  文献精选    作者:  网络转载

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背景介绍:

化石燃料是人类社会能源的主要来源,其大量使用带来了诸如全球变暖、环境污染、极端天气等严峻的生态问题。因此,现有的能源系统必须做出重大调整:从化石燃料向低碳能源转变。鉴于太阳能和风能等新能源的利用潜力远超全球能源的总消耗量,实现100%可再生能源供应的关键,在于如何将日益增长的间歇性(可再生)能源整合到现有能源系统中。可再生能源的份额越高,对能源系统(电网、燃气和热力网络等)的灵活度和相互关联度的要求越高。在未来的能源系统中,由于电力、热力和燃料的供应仅依赖于可再生能源,将可再生电力转换为适合高效运输的化学品和燃料的电力多元化转换(Power-to-X, PtX)技术则变得至关重要。

电解是电力多元化转换的核心技术,其充当电力、燃气和热力网络之间的纽带,并为运输系统提供燃料。相较于碱性电解和聚合物电解质膜(PEM)这两种广为人知的电解技术,固体氧化物电解池(SOEC)技术所受到的关注始终相对较少。近些年来,相关技术取得系列进展,SOEC已具备工业化放大实力并已在广泛进行中。有鉴于此,丹麦技术大学的A. Hauch教授联合托普索公司的首席研究工程师R. Küngas等人对SOEC技术在过去10-15年内取得的巨大进展进行了总结分析和展望。

本文亮点:

聚焦能够将可再生电能高效转化为低碳气体或液体燃料的固体氧化物电解池技术,首先阐明SOEC技术的两大优势:无可比拟的电解效率以及丰富的原材料;然后系统总结分析了过去10-15年内,在电池和电池堆栈层次上所取得的性能和耐久性方面的进步和成就。目前,该技术已经从研发阶段过渡到了示范和放大阶段,即将实现商业化。

高校/企业合撰Science综述:又一电解技术即将商业化!

图文解析:

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要点:在“智能”能源体系中,来自可再生能源的电能除常规用途外,还能够为电解水蒸气(H2O)或/和二氧化碳(CO2)的SOEC工厂提供动力。 电解生成的氢气(H2)或/和一氧化碳(CO)用于生产化学品和燃料。所生产的绿色合成燃料能够为重型或长途运输(飞机,轮船和卡车)提供动力,而轻型运输则直接由电池提供动力。 此外,建筑物的供热通过热泵供热或利用工厂余热来实现。

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要点:SOEC主要由三部分组成,两个多孔电极及致密氧离子导体电解质。相较于低温电解技术使用贵金属为原料,常见的SOEC电解质材料氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、电极材料Ni-YSZ和电极材料锶掺杂的锰酸镧(LSM)等均由储量丰富的廉价原料制备。为获得足够高的离子电导率,SOEC的操作温度一般设为600-850 ºC。高温操作条件在热力学和动力学上有利于反应进行,因此SOEC有着低温电解技术无法比拟的高电解效率。在CO2电解模式下,这一优势更加明显。

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要点:1. 过去15年间,SOEC电解水技术的初始性能得到大幅提升。这主要通过以下途径实现:电池相关工艺技术的进步;引入混合导体氧化物材料镧锶钴铁(LSCF)或镧锶钴(LSC)作为氧电极材料,极大增加了电化学活性位点数;电极结构纳米化以增加三相界面长度,提高反应性能。2. 在耐久性方面,SOEC的衰减速率从40%/1000h下降至0.4%/1000h,耐久性提升百倍。SOEC性能衰减可归因于两方面,一是电解池组件或者原料气中杂质的影响,二是初始性能(电压、电流密度)的影响。

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要点:不同于电池,电池堆栈的性能不仅仅取决于电池本身,还取决于电池堆栈的其它组成部分(金属连接件、密封和流道),影响因素错综复杂。尽管如此,电池堆栈技术亦取得显著进步。堆栈测试时长逐年增加,从2011年的测试时长不足半年到现在的2.5年;衰减速率持续下降,目前已降至1%/1000h以下。此外,SOEC示范装置的生产能力逐年提升,若可以保持此增长速率,10年内SOEC系统的生产能力就能够维持氢气需求量为10,000 Nm3/h的甲醇生产工厂的运行。

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要点:SOEC系统同甲烷、甲醇和氨合成等下游过程的集成带来了极大的协同效应。下游合成步骤产生的热量可用于制备SOEC过程所需的水蒸气。 文末,作者从电池、电池堆栈以及系统层面对SOEC的发展进行了总结和展望。在电池层面,指出其核心任务是开发出能够阻止Ni迁移的坚固的电极结构,采用浸渍法或脱溶法制备纳米电极是较有前景的解决策略;在堆栈层面,一如既往地追求耐久性的提高和成本的降低,值得注意的是,作者认为需要最大化的性能指标不应是以时长表示的耐久性,而应该是电池堆栈的总产量;在系统层面,由于SOEC技术日趋成熟,其引起的系统关闭概率较小,更多的注意力应该放到SOEC系统其它设备部件(如压缩机,加热器,电源等)的调整和完善上。
 

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