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科技奖获奖项目系列报道① | 聚焦能源技术革命创新 推动行业迈向绿色低碳

来源:新萄京娱乐网址(官网)  撰稿人:  发布时间:2021年07月03日 浏览:
摘要:

当前,钢铁、有色、建材三大产业是我国制造业主要的碳排放产业,建材产品的生产、运输和施工过程导致的碳排放量高达14.8亿吨,占我国碳排放总量的16%。--鼓励行业科技创新进一步围绕产业重大升级换代、绿色低碳发展、行业颠覆性技术、关键“卡脖子”技术及行业原创“独门绝技”等方向深入研究,保障产业基础高级化、产业链供应链安全化,促进行业安全、高质量发展,推动“宜业尚品、造福人类”的建材行业发展新目标的实现。

  能源是国民经济和社会发展的重要基础。改革开放后,为适应经济社会快速发展需要,我国推进能源全面、协调、可持续发展,成为世界上最大的能源生产消费国和能源利用效率提升最快的国家。经过多年发展,我国能源供应保障能力不断增强,基本形成了煤、油、气、电、核和可再生能源多轮驱动的能源生产体系。据了解,固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种不需要燃烧直接将燃料的化学能转化为电能的新型电化学发电技术,一次发电效率可高达50%~60%,热电联供总效率可达90%以上,是未来分布式供能最为理想的选择。近年来,SOFC技术已经在发达国家逐步实现商业化应用,但是核心技术和产品均对我国禁运禁售,是典型的“卡脖子”技术,只能立足于自主研发。

  《高性能碳基燃料固体氧化物燃料电池应用基础研究》项目第一完成人、清华大学教授韩敏芳向记者展示了“高性能碳基燃料固体氧化物燃料电池应用基础研究”项目取得的重要突破:第一,针对电解质阐明了细晶粒稳定氧化锆固体电解质中晶界氧离子快速传导机制,丰富了纳米离子学电导理论;创建了无助烧剂低温致密化三步烧结方法,获得了细晶粒、薄晶界、致密电解质薄膜;该技术在单电池生产中实现了规模化应用,2019年在徐州华清京昆能源有限公司建成了年产百万片单电池生产线,是国内SOFC领域的原创突破性进展。第二,针对阴极发现了阴极极化电阻与界面氧离子传导的关联机制,推动了界面电化学相关理论发展。提出了强化阴极界面反应的新方法,设计了均匀负载纳米催化剂的新型复合阴极结构,应用于新型准连续界面一体化单电池结构设计和制备,性能指标达到国际领先水平。第三,针对阳极发现了阳极侧碳基燃料反应特异性规律,揭示了镍基阳极积碳的关键步骤,提出了优化燃料组分与阳极掺杂修饰相结合提高抗积碳性能的新方法。成果被应用于千瓦级电池堆,实现了电池堆在天然气、液化石油气等碳基燃料下的稳定运行。

  据韩敏芳介绍,SOFC技术发展的基础是高性能导电陶瓷材料,属于固态离子传导材料范畴,是典型的快离子导体材料。平板型SOFC单电池是长厚比大的二维尺度器件,由不同材料的多孔-致密-多孔多层薄膜组成,发电量与有效反应面积呈正相关,与厚度呈负相关。特种构型器件的制备涉及异质异构、多孔/致密/多孔等多层薄膜共烧结技术,是陶瓷薄膜制备和烧结工艺技术难题。该项目成果在固态离子传导等理论体系突破的同时,还发展了自主知识产权的电池制备技术,实现了工业化应用,为中国SOFC发电技术产业发展奠定了基础。

  当前,钢铁、有色、建材三大产业是我国制造业主要的碳排放产业,建材产品的生产、运输和施工过程导致的碳排放量高达14.8亿吨,占我国碳排放总量的16%。建筑部门也是我国能源消费的三大领域之一,在当前力争实现碳达峰、碳中和目标的大背景下,大力减少建材行业的碳排放是迫切需要引起重视的问题。与传统的燃烧发电过程相比,SOFC发电技术具有更高的能量转化效率和更低的污染物排放,可以使用包括氢气、煤气、烷烃、醇类等多种燃料直接发电,很容易与现有能源供应系统兼容,非常适用于住宅、楼宇、社区及商业建筑等的分布式发电和热电联供,有利于建筑节能和供给侧能源改革和结构调整。

  “与传统燃料和空气充分混合燃烧发电完全不同,SOFC是一种电化学发电技术,在实现发电的过程中,燃料侧生成的CO?与空气侧含有的N?完全分离,可以很方便地富集和捕获CO?,实现后续CO?利用和处理。此外,SOFC器件具有可逆运行功能,在逆向运行时可以电解CO?得到CO,或者同时电解H?O和CO?得到合成气(H?和CO),实现CO?的资源化利用,高效存储富余或者废弃(不能上网的)可再生电力,在未来绿色低碳能源体系中起到‘削峰填谷’的重要作用。是一种非常有利于碳达峰、碳中和目标的新型‘负碳’能源新技术,对未来构建绿色低碳能源体系和实现碳达峰、碳中和目标的实现具有一定积极作用。”

  韩敏芳进一步表示,材料科学的发展和技术突破一直是社会进步的基础,任何行业的进步都需要依靠大量的基础研究作为坚实的理论支撑。建材行业几乎囊括了所有材料领域技术成果的应用,是关联国计民生的基础性行业。但是,长期以来,建材行业更注重大宗产品的应用和局部技术更新,对行业内前沿技术的发展尤其是“卡脖子”问题的自主突破重视程度不够,尤其是新材料领域很多新技术研发成果在建材行业内的推广应用更是有些困难。

  资源能源依赖型的产业特征,决定了建材行业要坚持以节能减排为中心,探索实践循环经济、低碳经济、生态经济发展理念,走节约发展、清洁发展和绿色发展之路,不断挖掘节能减排潜力,不断提高资源能源利用效率和原燃材料替代率。未来,建筑材料科学技术奖将继续围绕国家、行业发展战略和重点任务,结合建材行业发展实际,完善青年科技工作者、一线技能人才创新及知识产权等方面工作,鼓励行业科技创新进一步围绕产业重大升级换代、绿色低碳发展、行业颠覆性技术、关键“卡脖子”技术及行业原创“独门绝技”等方向深入研究,保障产业基础高级化、产业链供应链安全化,促进行业安全、高质量发展,推动“宜业尚品、造福人类”的建材行业发展新目标的实现。

  项目介绍

  《高性能碳基燃料固体氧化物燃料电池应用基础研究》项目成果是课题组历经20多年应用基础研究和技术研发,在科技部973项目、国家自然科学基金委重点项目等支持下持续攻关的结果,项目成果诠释了全稳定氧化锆等先进陶瓷材料内部及不同材料固体界面间高温下氧离子、电子快速传导机制和电化学催化反应机理,发展了从电解质中晶粒-晶界、电解质-电极界面到电池器件等多尺度体系粒子传导的完备的理论框架。

  团队情况

  团队负责人韩敏芳博士,长江学者特聘教授,清华大学长聘教授,燃料电池与储能研究中心主任,历经二十多年产、学、研联合攻关,带领团队从SOFC关键材料基础研究开始,冲破电池制备关键技术壁垒、突破电堆集成工程难关,自主知识产权打通了SOFC“材料—电池—模块—系统”全产业链核心技术,实现了全新成果产业化转化,开启了中国SOFC产业“从0到1”的进程。近三年中陆续实现了单电池、连接体、涂层等关键器件批量化生产,发电系统集成和产业化示范,在江苏徐州形成了SOFC相关产业集聚雏形。

责任编辑:单建庆
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