洪恒飞 科技日报记者 江耘
9月4日，记者从中国科学院宁波材料技术与工程研究所获悉，由该所燃料电池技术团队与浙江氢邦科技有限公司联合开发的5千瓦级CO2电解及其可逆一体机样机近日在浙江宁波下线，该设备每小时可转化1.5立方米至2.1立方米CO2。
“二氧化碳循环高效再利用是实现‘双碳’目标的重要途径。”中科院宁波材料所燃料电池技术团队官万兵研究员介绍，团队就自主研发的平管型固体氧化物电解池不断迭代优化，开发的这一设备在储能和碳循环方面具有较大应用潜力，具备推广示范水准，在国际上处于领先水平。
5千瓦级CO2电解及其可逆一体机样机 中科院宁波材料所供图
探析参数特性 提升电池性能
基于电化学方法开展CO2电解合成燃料的现有技术主要包括低温溶液电池、熔融碳酸盐电池以及固体氧化物电池三种。其中，固体氧化物电池除了可在高温下将CO2高效转化为CO与O2，用于制备乙烯和乙醇外，还能和可再生电能与廉价热源耦合，综合成本最低。
此外，由于固体氧化物电池可分为发电模式和电解池模式，逆反应下还可以将氢气、天然气等燃料化学能转化为电能，因此，在CO2循环高效利用领域极具应用价值。
“‘耦合’是指固体氧化物电池运行时需要的电能由可再生能源产生的电能提供。” 官万兵解释说， 利用这些特性，团队基于自主研发的平管型固体氧化物电池，发展了具有实际应用能力的CO2电解合成燃料关键技术。
比如2020年，该团队通过改善电池性能，研究了平管型结构固体氧化物电池电解CO2的长期运行稳定性及其效率。结果显示，在750℃下，CO2与H2浓度分别为75%与25%的气氛环境中，以特定恒定电流密度电解CO2运行接近2000小时，刷新此前公开文献介绍的最长运行时间，衰减率为每千小时4.9%。
“这一状态下，在电解CO2进程中，CO2转化率可达42%，电解综合能量转化效率达95%以上。” 官万兵说，在此基础上，团队近两年紧密结合可再生电力的储能需要，率先开展了耦合可再生电力特性的CO2电解合成燃料技术研究。
通过数年基础研究工作，团队得以掌握固体氧化物电池电解CO2合成燃料技术的关键技术参数变化特性。
官万兵表示，电池的制备工艺、性能、效率、稳定性、衰减机理的研究主要是基于单电池，团队就单电池的性能提升到一定标准后，开始研制千瓦级固体氧化物电堆的制备与封装工艺，千瓦级电堆技术成熟后，逐步实现规模扩大化。
逐级挑战功率 制备多功能机
去年年底，中科院宁波材料所燃料电池技术团队联合浙江氢邦科技有限公司，启动CO2电解及其可逆放电一体化的研制工作，于2022年3月份初步研制成功。
“在此基础上， 5千瓦级功率样机的研制计划也提上日程。”官万兵介绍，所谓“电解及可逆放电一体化”，顾名思义，是指设备样机可以通过设置程序模式实现两种模式交替操作，从而实现电能-化学能-电能的交替转变。
值得一提的是，由于固体氧化物电池中镍基电极的多燃料适用性，燃料包括CO2、CO、CH4、NH3等气体，该设备既可以催化电解CO2，还可以用于电解水制氢。
记者了解到，为了使样机电解CO2的同时可实现电解水以及甲烷湿重整，团队自主研发了适用于燃料电池发电模式下的汽化器，同时研制了超低流阻、低成本、高性能换热器，主要用于尾气能量的回收处理。
据介绍，5千瓦级可逆一体机造价在100万元左右，其中核心部件电解池预计寿命在20000小时，因成本低，属于易耗部件，可定期更换，该装备寿命总体可达10年以上。
谈及推广应用，官万兵认为，5千瓦级固体氧化物电池可逆一体机要在短期内实现商业化还需克服装备成本偏高等问题，团队希望电解池的寿命能进一步突破到40000小时以上。
官万兵表示，未来团队会对电池的波动性、可逆性进行深入研究，以提升固体氧化物电池各方面性能。而在电解设备方面，会尝试加入更多的功能，实现智能化操作，再着手开发百千瓦级的CO2电解合成燃料一体机，为国内CO2资源循环利用提供新的技术路线参考。
