作者｜陳大英
澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）近期在固體氧化物電解（SOE）技術(shù)研究與應(yīng)用方面取得最新進(jìn)展，該研究團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)人AniKulkarni博士日前接受媒體采訪時透漏已在SOE電池結(jié)構(gòu)和電極材料等多方面取得突破，多國已展開合作推動低成本規(guī)?；纳虡I(yè)應(yīng)用。
1、SOE技術(shù)具有高效、低成本制取綠氫的潛力
氫能被普遍視為能源領(lǐng)域深度脫碳的關(guān)鍵選擇，但這與氫的來源緊密相關(guān)，BP就認(rèn)為，氫能清潔利用的前提是來源清潔化?？紤]到當(dāng)前98%的氫氣來源于化石能源的現(xiàn)狀，可再生能源電解水制氫（綠氫）對發(fā)揮氫能脫碳作用至關(guān)重要。
近年來電解水制氫核心設(shè)備水電解槽的投資不斷增大，據(jù)IEA統(tǒng)計，2017年和2018年全球投入使用的水電解槽的資金達(dá)到每年2000萬-3000萬美元。項(xiàng)目數(shù)量也在增多，在這些項(xiàng)目中，堿性和質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽最為常見。
SOE技術(shù)雖已有數(shù)十年的發(fā)展歷史，但受制于部分關(guān)鍵技術(shù)，目前在大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用仍面臨較大挑戰(zhàn)。
表1 不同水電解槽指標(biāo)對比
事實(shí)上，使用目前主流水電解技術(shù)，從可再生能源轉(zhuǎn)換為氫的效率普遍較低，以光伏發(fā)電制氫為例，太陽能電池和水電解槽中的能量損失疊加，總轉(zhuǎn)化率低于10％。
Kulkarni博士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)參與了CSIRO能源業(yè)務(wù)部的低排放技術(shù)計劃，正創(chuàng)造性地通過SOE技術(shù)的突破來提高太陽能到氫能轉(zhuǎn)換路徑的能源效率。
Kulkarni表示，SOE電解槽總能量輸入中有約35％來自熱量，其余部分來自電，這使得生產(chǎn)綠氫時，SOE電解槽可以比PEM或堿性電解槽更為顯著地提高能量轉(zhuǎn)換效率。而且，因太陽能發(fā)電的成本遠(yuǎn)高于熱能成本，在氫氣生產(chǎn)時，SOE將更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
同時，SOE可以使用二氧化碳代替水或作為水的補(bǔ)充氧源，在這種操作模式下，陰極可產(chǎn)生一氧化碳。因此，SOE還可用于生產(chǎn)合成氣或純一氧化碳，用于化學(xué)合成。Kulkarni據(jù)此強(qiáng)調(diào)，SOE技術(shù)用途廣泛，可以很容易地集成到各種化學(xué)處理操作中。
2、SOE技術(shù)取得新突破 有望實(shí)現(xiàn)低成本規(guī)?；瘧?yīng)用
從20世紀(jì)60年代起，SOE技術(shù)一直是研究的主題。但因技術(shù)上的限制，長期以來，SOE技術(shù)在商業(yè)化應(yīng)用上進(jìn)展并不大。
SOE是高溫過程，使用陶瓷電解質(zhì)和電極作為電池部件，在高于500℃的溫度下運(yùn)行，遠(yuǎn)高于PEM系統(tǒng)80℃運(yùn)行溫度。
據(jù)介紹，雖然可以從SOE電堆的外部帶走熱量，但是會形成熱點(diǎn)，并導(dǎo)致熱應(yīng)力，從而長期損壞電極和電池。因此，需要定期更換SOE電堆，這給系統(tǒng)帶來了很高的維護(hù)成本。
SOE其他關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)還包括由于材料遷移和分層而在電解條件下導(dǎo)致的電極退化。
針對當(dāng)前SOE存在的問題，CSIRO研究團(tuán)隊(duì)取得了一系列突破。
一種管狀電池結(jié)構(gòu)被開發(fā)，可以極大地減少熱應(yīng)力問題，并且電極的壽命將大大延長，維護(hù)成本也將降低。該結(jié)構(gòu)可靠，并可被電極材料涂覆，目前正在利用材料科學(xué)和制造技術(shù)來改善電解槽的生產(chǎn)過程。
實(shí)際運(yùn)行中，該管狀電池結(jié)構(gòu)也具有優(yōu)勢。由于散熱效果更好，電解槽升溫時間可縮減到30分鐘內(nèi)，遠(yuǎn)較扁平電堆結(jié)構(gòu)更快。改進(jìn)的動態(tài)響應(yīng)意味著SOE系統(tǒng)可以有效地用于瞬態(tài)電源管理方案中，以便將多余的電能轉(zhuǎn)化為氫氣。這樣就可以在可再生能源出力高峰時段快速進(jìn)行能量存儲。
Kulkarni強(qiáng)調(diào)，研究團(tuán)隊(duì)在電極材料上也進(jìn)行了重大改進(jìn)。電極的活性部分由陶瓷基混合離子電子導(dǎo)體（MIEC）構(gòu)成，研究者發(fā)現(xiàn)了一種新型材料，使用該材料只需一次浸涂即可完成管狀電解質(zhì)基材上的涂覆，并可在800℃下處理。這簡化了制造過程來降低成本，還降低了浸涂溫度，便于進(jìn)行更好的質(zhì)量控制并降低電極制造能耗。
在新開發(fā)的SOE系統(tǒng)中，陽極和陰極均由相同的材料制成。這簡化了電極制造過程，并且該裝置可實(shí)現(xiàn)雙向操作，既可以用作電解槽將電能轉(zhuǎn)換為氫，又可以作為燃料電池運(yùn)行用氫產(chǎn)生電能。這對電力存儲與平衡意義重大，因?yàn)橥浑娊庠O(shè)備可以在發(fā)電量過剩期間產(chǎn)生氫氣，又可在電網(wǎng)負(fù)荷增大時將氫氣轉(zhuǎn)換回電力使用。
為使新技術(shù)盡快獲得大范圍推廣，Kulkarni表示，研究團(tuán)隊(duì)下一步的工作重點(diǎn)將放在具有成本效益的工業(yè)規(guī)模應(yīng)用上。該項(xiàng)工作由CSIRO、澳大利亞可再生能源局（ARENA）和合作伙伴共同資助，來自澳大利亞、英國、美國和以色列等四國的研究人員已在此領(lǐng)域展開合作。
3、SOE技術(shù)對澳大利亞開發(fā)綠氫資源意義重大
澳大利亞可再生能源發(fā)電潛力巨大，特別是南澳大利亞擁有大量的可再生能源發(fā)電能力，并且缺乏與其他地區(qū)進(jìn)行能源輸送的方式，非常適合建設(shè)大規(guī)模可再生能源發(fā)電設(shè)施和電解設(shè)施生產(chǎn)綠氫，SOE新技術(shù)的應(yīng)用對澳大利亞規(guī)?；_發(fā)綠氫資源意義重大。
據(jù)了解，在西北皮爾巴拉地區(qū)，計劃建造15GW的風(fēng)、光電站制氫，用于當(dāng)?shù)氐蔫F礦石行業(yè)，同時也著眼于氫氣出口。
據(jù)ARENA預(yù)測，未來澳大利亞將滿足全球3.5%的氫需求，其中大部分出口到日本、韓國等亞洲國家，氫出口可以帶來顯著的經(jīng)濟(jì)增長和創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會。
從澳大利亞到日本的低溫液態(tài)氫運(yùn)輸將很快進(jìn)行試點(diǎn)，但在Kulkarni看來，由于汽化損失，液態(tài)氫的長期存儲可能沒有吸引力，而氫基燃料氨或甲醇便于長期儲存，更適合遠(yuǎn)距離運(yùn)輸和使用。而SOE以燃料電池模式運(yùn)行時可使用綠色氨、甲醇生產(chǎn)綠色電力，這將大大推動更廣泛的氫基燃料的應(yīng)用和出口。
