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    科技獎獲獎項目系列報道① | 聚焦能源技術革命創新 推動行業邁向綠色低碳

    來源:中國建筑材料聯合會(官網)  撰稿人:  發布時間:2021年07月03日 瀏覽:
    摘要:

    當前,鋼鐵、有色、建材三大產業是我國制造業主要的碳排放產業,建材產品的生產、運輸和施工過程導致的碳排放量高達14.8億噸,占我國碳排放總量的16%。--鼓勵行業科技創新進一步圍繞產業重大升級換代、綠色低碳發展、行業顛覆性技術、關鍵“卡脖子”技術及行業原創“獨門絕技”等方向深入研究,保障產業基礎高級化、產業鏈供應鏈安全化,促進行業安全、高質量發展,推動“宜業尚品、造福人類”的建材行業發展新目標的實現。

      能源是國民經濟和社會發展的重要基礎。改革開放后,為適應經濟社會快速發展需要,我國推進能源全面、協調、可持續發展,成為世界上最大的能源生產消費國和能源利用效率提升最快的國家。經過多年發展,我國能源供應保障能力不斷增強,基本形成了煤、油、氣、電、核和可再生能源多輪驅動的能源生產體系。據了解,固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種不需要燃燒直接將燃料的化學能轉化為電能的新型電化學發電技術,一次發電效率可高達50%~60%,熱電聯供總效率可達90%以上,是未來分布式供能最為理想的選擇。近年來,SOFC技術已經在發達國家逐步實現商業化應用,但是核心技術和產品均對我國禁運禁售,是典型的“卡脖子”技術,只能立足于自主研發。

      《高性能碳基燃料固體氧化物燃料電池應用基礎研究》項目第一完成人、清華大學教授韓敏芳向記者展示了“高性能碳基燃料固體氧化物燃料電池應用基礎研究”項目取得的重要突破:第一,針對電解質闡明了細晶粒穩定氧化鋯固體電解質中晶界氧離子快速傳導機制,豐富了納米離子學電導理論;創建了無助燒劑低溫致密化三步燒結方法,獲得了細晶粒、薄晶界、致密電解質薄膜;該技術在單電池生產中實現了規?;瘧?,2019年在徐州華清京昆能源有限公司建成了年產百萬片單電池生產線,是國內SOFC領域的原創突破性進展。第二,針對陰極發現了陰極極化電阻與界面氧離子傳導的關聯機制,推動了界面電化學相關理論發展。提出了強化陰極界面反應的新方法,設計了均勻負載納米催化劑的新型復合陰極結構,應用于新型準連續界面一體化單電池結構設計和制備,性能指標達到國際領先水平。第三,針對陽極發現了陽極側碳基燃料反應特異性規律,揭示了鎳基陽極積碳的關鍵步驟,提出了優化燃料組分與陽極摻雜修飾相結合提高抗積碳性能的新方法。成果被應用于千瓦級電池堆,實現了電池堆在天然氣、液化石油氣等碳基燃料下的穩定運行。

      據韓敏芳介紹,SOFC技術發展的基礎是高性能導電陶瓷材料,屬于固態離子傳導材料范疇,是典型的快離子導體材料。平板型SOFC單電池是長厚比大的二維尺度器件,由不同材料的多孔-致密-多孔多層薄膜組成,發電量與有效反應面積呈正相關,與厚度呈負相關。特種構型器件的制備涉及異質異構、多孔/致密/多孔等多層薄膜共燒結技術,是陶瓷薄膜制備和燒結工藝技術難題。該項目成果在固態離子傳導等理論體系突破的同時,還發展了自主知識產權的電池制備技術,實現了工業化應用,為中國SOFC發電技術產業發展奠定了基礎。

      當前,鋼鐵、有色、建材三大產業是我國制造業主要的碳排放產業,建材產品的生產、運輸和施工過程導致的碳排放量高達14.8億噸,占我國碳排放總量的16%。建筑部門也是我國能源消費的三大領域之一,在當前力爭實現碳達峰、碳中和目標的大背景下,大力減少建材行業的碳排放是迫切需要引起重視的問題。與傳統的燃燒發電過程相比,SOFC發電技術具有更高的能量轉化效率和更低的污染物排放,可以使用包括氫氣、煤氣、烷烴、醇類等多種燃料直接發電,很容易與現有能源供應系統兼容,非常適用于住宅、樓宇、社區及商業建筑等的分布式發電和熱電聯供,有利于建筑節能和供給側能源改革和結構調整。

      “與傳統燃料和空氣充分混合燃燒發電完全不同,SOFC是一種電化學發電技術,在實現發電的過程中,燃料側生成的CO?與空氣側含有的N?完全分離,可以很方便地富集和捕獲CO?,實現后續CO?利用和處理。此外,SOFC器件具有可逆運行功能,在逆向運行時可以電解CO?得到CO,或者同時電解H?O和CO?得到合成氣(H?和CO),實現CO?的資源化利用,高效存儲富余或者廢棄(不能上網的)可再生電力,在未來綠色低碳能源體系中起到‘削峰填谷’的重要作用。是一種非常有利于碳達峰、碳中和目標的新型‘負碳’能源新技術,對未來構建綠色低碳能源體系和實現碳達峰、碳中和目標的實現具有一定積極作用?!?/span>

      韓敏芳進一步表示,材料科學的發展和技術突破一直是社會進步的基礎,任何行業的進步都需要依靠大量的基礎研究作為堅實的理論支撐。建材行業幾乎囊括了所有材料領域技術成果的應用,是關聯國計民生的基礎性行業。但是,長期以來,建材行業更注重大宗產品的應用和局部技術更新,對行業內前沿技術的發展尤其是“卡脖子”問題的自主突破重視程度不夠,尤其是新材料領域很多新技術研發成果在建材行業內的推廣應用更是有些困難。

      資源能源依賴型的產業特征,決定了建材行業要堅持以節能減排為中心,探索實踐循環經濟、低碳經濟、生態經濟發展理念,走節約發展、清潔發展和綠色發展之路,不斷挖掘節能減排潛力,不斷提高資源能源利用效率和原燃材料替代率。未來,建筑材料科學技術獎將繼續圍繞國家、行業發展戰略和重點任務,結合建材行業發展實際,完善青年科技工作者、一線技能人才創新及知識產權等方面工作,鼓勵行業科技創新進一步圍繞產業重大升級換代、綠色低碳發展、行業顛覆性技術、關鍵“卡脖子”技術及行業原創“獨門絕技”等方向深入研究,保障產業基礎高級化、產業鏈供應鏈安全化,促進行業安全、高質量發展,推動“宜業尚品、造福人類”的建材行業發展新目標的實現。

      項目介紹

      《高性能碳基燃料固體氧化物燃料電池應用基礎研究》項目成果是課題組歷經20多年應用基礎研究和技術研發,在科技部973項目、國家自然科學基金委重點項目等支持下持續攻關的結果,項目成果詮釋了全穩定氧化鋯等先進陶瓷材料內部及不同材料固體界面間高溫下氧離子、電子快速傳導機制和電化學催化反應機理,發展了從電解質中晶粒-晶界、電解質-電極界面到電池器件等多尺度體系粒子傳導的完備的理論框架。

      團隊情況

      團隊負責人韓敏芳博士,長江學者特聘教授,清華大學長聘教授,燃料電池與儲能研究中心主任,歷經二十多年產、學、研聯合攻關,帶領團隊從SOFC關鍵材料基礎研究開始,沖破電池制備關鍵技術壁壘、突破電堆集成工程難關,自主知識產權打通了SOFC“材料—電池—模塊—系統”全產業鏈核心技術,實現了全新成果產業化轉化,開啟了中國SOFC產業“從0到1”的進程。近三年中陸續實現了單電池、連接體、涂層等關鍵器件批量化生產,發電系統集成和產業化示范,在江蘇徐州形成了SOFC相關產業集聚雛形。

    責任編輯:單建慶
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