固体氧化物电解技术助力可再生能源制氢规模化应用

澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)近期在固体氧化物电解(SOE)技术研究与应用方面取得最新进展,该研究团队主要负责人Ani Kulkarni博士日前接受媒体采访时透漏已在SOE电池结构和电极材料等多方面取得突破,多国已展开合作推动低成本规模化的商业应用。

 

SOE技术具有高效、低成本

制取绿氢的潜力

氢能被普遍视为能源领域深度脱碳的关键选择,但这与氢的来源紧密相关,BP就认为,氢能清洁利用的前提是来源清洁化。考虑到当前98%的氢气来源于化石能源的现状,可再生能源电解水制氢(绿氢)对发挥氢能脱碳作用至关重要。

近年来电解水制氢核心设备水电解槽的投资不断增大,据IEA统计,2017年和2018年全球投入使用的水电解槽的资金达到每年2000万-3000万美元。项目数量也在增多,在这些项目中,碱性和质子交换膜(PEM)电解槽最为常见。

SOE技术虽已有数十年的发展历史,但受制于部分关键技术,目前在大规模商业化应用仍面临较大挑战。

表1 不同水电解槽指标对比

事实上,使用目前主流水电解技术,从可再生能源转换为氢的效率普遍较低,以光伏发电制氢为例,太阳能电池和水电解槽中的能量损失叠加,总转化率低于10%。

Kulkarni博士带领团队参与了CSIRO能源业务部的低排放技术计划,正创造性地通过SOE技术的突破来提高太阳能到氢能转换路径的能源效率。

Kulkarni表示,SOE电解槽总能量输入中有约35%来自热量,其余部分来自电,这使得生产绿氢时,SOE电解槽可以比PEM或碱性电解槽更为显著地提高能量转换效率。而且,因太阳能发电的成本远高于热能成本,在氢气生产时,SOE将更具经济优势。

同时,SOE可以使用二氧化碳代替水或作为水的补充氧源,在这种操作模式下,阴极可产生一氧化碳。因此,SOE还可用于生产合成气或纯一氧化碳,用于化学合成。Kulkarni据此强调,SOE技术用途广泛,可以很容易地集成到各种化学处理操作中。

 

SOE技术取得新突破

有望实现低成本规模化应用

从20世纪60年代起,SOE技术一直是研究的主题。但因技术上的限制,长期以来,SOE技术在商业化应用上进展并不大。

SOE是高温过程,使用陶瓷电解质和电极作为电池部件,在高于500℃的温度下运行,远高于PEM系统80℃运行温度。

据介绍,虽然可以从SOE电堆的外部带走热量,但是会形成热点,并导致热应力,从而长期损坏电极和电池。因此,需要定期更换SOE电堆,这给系统带来了很高的维护成本。

SOE其他关键技术挑战还包括由于材料迁移和分层而在电解条件下导致的电极退化。

针对当前SOE存在的问题,CSIRO研究团队取得了一系列突破。

一种管状电池结构被开发,可以极大地减少热应力问题,并且电极的寿命将大大延长,维护成本也将降低。该结构可靠,并可被电极材料涂覆,目前正在利用材料科学和制造技术来改善电解槽的生产过程。

实际运行中,该管状电池结构也具有优势。由于散热效果更好,电解槽升温时间可缩减到30分钟内,远较扁平电堆结构更快。改进的动态响应意味着SOE系统可以有效地用于瞬态电源管理方案中,以便将多余的电能转化为氢气。这样就可以在可再生能源出力高峰时段快速进行能量存储。

Kulkarni强调,研究团队在电极材料上也进行了重大改进。电极的活性部分由陶瓷基混合离子电子导体(MIEC)构成,研究者发现了一种新型材料,使用该材料只需一次浸涂即可完成管状电解质基材上的涂覆,并可在800℃下处理。这简化了制造过程来降低成本,还降低了浸涂温度,便于进行更好的质量控制并降低电极制造能耗。

在新开发的SOE系统中,阳极和阴极均由相同的材料制成。这简化了电极制造过程,并且该装置可实现双向操作,既可以用作电解槽将电能转换为氢,又可以作为燃料电池运行用氢产生电能。这对电力存储与平衡意义重大,因为同一电解设备可以在发电量过剩期间产生氢气,又可在电网负荷增大时将氢气转换回电力使用。

为使新技术尽快获得大范围推广,Kulkarni表示,研究团队下一步的工作重点将放在具有成本效益的工业规模应用上。该项工作由CSIRO、澳大利亚可再生能源局(ARENA)和合作伙伴共同资助,来自澳大利亚、英国、美国和以色列等四国的研究人员已在此领域展开合作。

 

SOE技术对澳大利亚

开发绿氢资源意义重大

澳大利亚可再生能源发电潜力巨大,特别是南澳大利亚拥有大量的可再生能源发电能力,并且缺乏与其他地区进行能源输送的方式,非常适合建设大规模可再生能源发电设施和电解设施生产绿氢,SOE新技术的应用对澳大利亚规模化开发绿氢资源意义重大。

据了解,在西北皮尔巴拉地区,计划建造15GW的风、光电站制氢,用于当地的铁矿石行业,同时也着眼于氢气出口。

据ARENA预测,未来澳大利亚将满足全球3.5%的氢需求,其中大部分出口到日本、韩国等亚洲国家,氢出口可以带来显著的经济增长和创造就业机会。

从澳大利亚到日本的低温液态氢运输将很快进行试点,但在Kulkarni看来,由于汽化损失,液态氢的长期存储可能没有吸引力,而氢基燃料氨或甲醇便于长期储存,更适合远距离运输和使用。而SOE以燃料电池模式运行时可使用绿色氨、甲醇生产绿色电力,这将大大推动更广泛的氢基燃料的应用和出口。(作者:陈大英)

2020年5月11日 08:59
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