作者｜陳大英
澳大利亞聯邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）近期在固體氧化物電解（SOE）技術研究與應用方面取得最新進展，該研究團隊主要負責人AniKulkarni博士日前接受媒體采訪時透漏已在SOE電池結構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)應用。
1、SOE技術具有高效、低成本制取綠氫的潛力
氫能被普遍視為能源領域深度脫碳的關鍵選擇，但這與氫的來源緊密相關，BP就認為，氫能清潔利用的前提是來源清潔化?？紤]到當前98%的氫氣來源于化石能源的現狀，可再生能源電解水制氫（綠氫）對發(fā)揮氫能脫碳作用至關重要。
近年來電解水制氫核心設備水電解槽的投資不斷增大，據IEA統計，2017年和2018年全球投入使用的水電解槽的資金達到每年2000萬-3000萬美元。項目數量也在增多，在這些項目中，堿性和質子交換膜（PEM）電解槽最為常見。
SOE技術雖已有數十年的發(fā)展歷史，但受制于部分關鍵技術，目前在大規(guī)模商業(yè)化應用仍面臨較大挑戰(zhàn)。
表1 不同水電解槽指標對比
事實上，使用目前主流水電解技術，從可再生能源轉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，總轉化率低于10％。
Kulkarni博士帶領團隊參與了CSIRO能源業(yè)務部的低排放技術計劃，正創(chuàng)造性地通過SOE技術的突破來提高太陽能到氫能轉換路徑的能源效率。
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換效率。而且，因太陽能發(fā)電的成本遠高于熱能成本，在氫氣生產時，SOE將更具經濟優(yōu)勢。
同時，SOE可以使用二氧化碳代替水或作為水的補充氧源，在這種操作模式下，陰極可產生一氧化碳。因此，SOE還可用于生產合成氣或純一氧化碳，用于化學合成。Kulkarni據此強調，SOE技術用途廣泛，可以很容易地集成到各種化學處理操作中。
2、SOE技術取得新突破 有望實現低成本規(guī)?；瘧?/strong>
從20世紀60年代起，SOE技術一直是研究的主題。但因技術上的限制，長期以來，SOE技術在商業(yè)化應用上進展并不大。
SOE是高溫過程，使用陶瓷電解質和電極作為電池部件，在高于500℃的溫度下運行，遠高于PEM系統80℃運行溫度。
據介紹，雖然可以從SOE電堆的外部帶走熱量，但是會形成熱點，并導致熱應力，從而長期損壞電極和電池。因此，需要定期更換SOE電堆，這給系統帶來了很高的維護成本。
SOE其他關鍵技術挑戰(zhàn)還包括由于材料遷移和分層而在電解條件下導致的電極退化。
針對當前SOE存在的問題，CSIRO研究團隊取得了一系列突破。
一種管狀電池結構被開發(fā)，可以極大地減少熱應力問題，并且電極的壽命將大大延長，維護成本也將降低。該結構可靠，并可被電極材料涂覆，目前正在利用材料科學和制造技術來改善電解槽的生產過程。
實際運行中，該管狀電池結構也具有優(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，遠較扁平電堆結構更快。改進的動態(tài)響應意味著SOE系統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化為氫氣。這樣就可以在可再生能源出力高峰時段快速進行能量存儲。
Kulkarni強調，研究團隊在電極材料上也進行了重大改進。電極的活性部分由陶瓷基混合離子電子導體（MIEC）構成，研究者發(fā)現了一種新型材料，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，便于進行更好的質量控制并降低電極制造能耗。
在新開發(fā)的SOE系統中，陽極和陰極均由相同的材料制成。這簡化了電極制造過程，并且該裝置可實現雙向操作，既可以用作電解槽將電能轉換為氫，又可以作為燃料電池運行用氫產生電能。這對電力存儲與平衡意義重大，因為同一電解設備可以在發(fā)電量過剩期間產生氫氣，又可在電網負荷增大時將氫氣轉換回電力使用。
為使新技術盡快獲得大范圍推廣，Kulkarni表示，研究團隊下一步的工作重點將放在具有成本效益的工業(yè)規(guī)模應用上。該項工作由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域展開合作。
3、SOE技術對澳大利亞開發(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)進行能源輸送的方式，非常適合建設大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電設施和電解設施生產綠氫，SOE新技術的應用對澳大利亞規(guī)?；_發(fā)綠氫資源意義重大。
據了解，在西北皮爾巴拉地區(qū)，計劃建造15GW的風、光電站制氫，用于當地的鐵礦石行業(yè)，同時也著眼于氫氣出口。
據ARENA預測，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濟增長和創(chuàng)造就業(yè)機會。
從澳大利亞到日本的低溫液態(tài)氫運輸將很快進行試點，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，更適合遠距離運輸和使用。而SOE以燃料電池模式運行時可使用綠色氨、甲醇生產綠色電力，這將大大推動更廣泛的氫基燃料的應用和出口。
