洪恒飛 科技日報記者 江耘

9月4日，記者從中國科學院寧波材料技術與工程研究所獲悉，由該所燃料電池技術團隊與浙江氫邦科技有限公司聯(lián)合開發(fā)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(zhuǎn)化1.5立方米至2.1立方米CO2。

“二氧化碳循環(huán)高效再利用是實現(xiàn)‘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官萬兵研究員介紹，團隊就自主研發(fā)的平管型固體氧化物電解池不斷迭代優(yōu)化，開發(fā)的這一設備在儲能和碳循環(huán)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。

(資料圖)

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5千瓦級CO2電解及其可逆一體機樣機 中科院寧波材料所供圖

探析參數(shù)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(xiàn)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(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，逆反應下還可以將氫氣、天然氣等燃料化學能轉(zhuǎn)化為電能，因此，在CO2循環(huán)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(chǎn)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(fā)的平管型固體氧化物電池，發(fā)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(jié)構固體氧化物電池電解CO2的長期運行穩(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(tài)下，在電解CO2進程中，CO2轉(zhuǎn)化率可達42%，電解綜合能量轉(zhuǎn)化效率達95%以上。” 官萬兵說，在此基礎上，團隊近兩年緊密結(jié)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(shù)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(shù)變化特性。

官萬兵表示，電池的制備工藝、性能、效率、穩(wěn)定性、衰減機理的研究主要是基于單電池，團隊就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(xiàn)規(guī)模擴大化。

逐級挑戰(zhàn)功率 ?制備多功能機

去年年底，中科院寧波材料所燃料電池技術團隊聯(lián)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(xiàn)兩種模式交替操作，從而實現(xiàn)電能-化學能-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(xiàn)電解水以及甲烷濕重整，團隊自主研發(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(nèi)實現(xiàn)商業(yè)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(xiàn)智能化操作，再著手開發(fā)百千瓦級的CO2電解合成燃料一體機，為國內(nèi)CO2資源循環(huán)利用提供新的技術路線參考。

關鍵詞： 電解設備 二氧化碳