鉅大LARGE | 點擊量：705次 | 2022年11月18日
新加坡燃料動力電池和氫能的研究有什么進展
4月24-26日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會主辦的第九屆中國國際儲能大會在浙江省杭州市洲際酒店召開。在4月26日上午的“氫能與燃料電池”專場，新加坡南洋理工大學(xué)高級研究員張?zhí)m在會上分享了主題報告《新加坡燃料電池和氫能的研究進展》，以下為演講實錄：
張?zhí)m：各位老師，各位領(lǐng)導(dǎo)，上午好！非常感謝組委會和官老師的邀請，給我這次機會給大家分享一下新加坡燃料電池和氫能的研究進展。
新加坡為什么要發(fā)展燃料電池和氫能呢？它的動力來源于哪里？首先，2015年巴黎協(xié)議大家都知道，在本世界我們要把全球平均氣溫上升幅度控制在1.5度之內(nèi)。另外一個，新加坡政府承諾到2030年碳排放強度相對于2005年的碳排放強度要降低36%。最后一個，溫度的變化已經(jīng)給新加坡的生存環(huán)境帶來了很大的挑戰(zhàn)。我們從這張圖上可以看到，從1948年到2016年，每十年的氣溫上升大概達到了0.25度，這是一個非常大的挑戰(zhàn)。我們可以看到右上圖，海平面一直在上升。預(yù)計將來會上升一米。這個時候新加坡已經(jīng)變得很小很小，本來新加坡就很小。它是地球上的一個小紅點，它的面積約720平方公里，只有北京面積的22分之一。在這樣的生存環(huán)境的挑戰(zhàn)下，我們是不是要做一些工作？
先了解一下新加坡二氧化碳排放情況和能源消費結(jié)構(gòu)。從左圖可以看出來，新加坡能源結(jié)構(gòu)上主要使用的是原油。大家很奇怪新加坡是一個沒有資源沒有水源的國家。為什么能源結(jié)構(gòu)上原油會占絕大部分呢？在這里，我非常自豪地告訴大家，新加坡是世界上第三大煉油中心。其次現(xiàn)在為了降低碳排放量開始大量使用天然氣。從中間的圖上可以看出來，中國的能源結(jié)構(gòu)上仍然是以煤為主，當然水力發(fā)電和可再生能源也漸漸進入角色促進減排。世界能源消費結(jié)構(gòu)上來看仍然以煤、天然氣和原油等一次能源為主。我們大家還需要再接再勵，攜手促進減排，多開發(fā)一些可行的利用再生能源的技術(shù)。從左邊的圖上可以看到，近十年新加坡人均碳排放量的變化趨勢，所以說要想達到2030年碳排放強度降低36%，這個挑戰(zhàn)是蠻大的。右圖介紹了新加坡碳排放量的結(jié)構(gòu)，主要是電力/熱能、工業(yè)和交通這三個方面。從左上圖，如果以每美元國民生產(chǎn)總值來看，新加坡碳排放量在142個國家中排在第123位，但是以人均碳排放量算，新加坡則排在了第26位。這是由于，新加坡面積很小，人口密度很大。面積是北京的22分之一，人口密度卻是北京的六倍。右圖是一個估算，2020年新加坡的碳排放量有可能會達到77.2兆噸。
在這里，為了進一步減少碳排放量，新加坡政府做了一些中長期的規(guī)劃。在我們的火力發(fā)電上將會減少原油，更多地加入一些天然氣來發(fā)電。另外鼓勵全民使用太陽能。如何鼓勵呢？現(xiàn)在在我們普通老百姓居住的屋子屋頂，學(xué)校的屋頂以及蓄水池表面都加裝了太陽。左上圖是新加坡的太陽能裝機容量，右圖是太陽能實時發(fā)電量。這個圖是在線的，有興趣的朋友可以登陸下面的網(wǎng)站，實時查看新加坡所有太陽能發(fā)電量。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
太陽能是一種間歇式能源，如何把它儲存起來呢？政府從1998年開始規(guī)劃了燃料電池和氫能的發(fā)展。南洋理工大學(xué)燃料電池實驗室就是在這樣的背景下誕生的，1998年成立。一個課題組不足以完成所有的任務(wù)，新加坡主要的燃料電池和氫能技術(shù)的發(fā)展歷程就在這張表上統(tǒng)計了。2009年為了進一步綜合利用各種可再生能源，例如：太陽能、風能、潮汐能等等。2009年在南洋理工大學(xué)成立了一個能源研究所。能源研究所成立之后，首先承擔了兩個旗艦項目，一個是生態(tài)校園，這個生態(tài)校園會充分利用太陽能。目前校園屋頂上的太陽能裝機容量是5兆瓦，將來要達到9.9兆瓦。這些能量能夠滿足大學(xué)7%-10%的能源使用。
另外，這是新加坡可再生能源集成演示。大家有興趣的話，可以在YouTube上搜NTUREIDS-RenewableEnergyIntegrationDemonstratorSingapore就可以看到我們這個項目是如何綜合利用各種可再生能源。剛才介紹了太陽能是間隙式能源。但是間歇式能源如何儲存是目前大家都在熱議的問題。在新加坡，我們的團隊是使用了這樣一個生態(tài)城市的系統(tǒng)，把可再生的太陽能通過電解水制得氧氣和氫氣儲存起來。當然，也會通過重整天然氣補充不足的氫氣。這樣燃料電池汽車就會有足夠的氫氣。這是示意圖對比了新舊生態(tài)城市系統(tǒng)的差別，原先的儲能系統(tǒng)是只有鋰電，現(xiàn)在的儲能系統(tǒng)加上了電解水儲存多余的太陽能。這個圖介紹了可再生能源的儲存和應(yīng)用系統(tǒng)的工作原理，綠色部分是放電模式，當電網(wǎng)或者住的組屋里面的電不夠的時候就會消耗氫氣發(fā)電。當電有多余的時候，就會消耗電能，電解水生成氫氣和氧氣儲存起來。這就是可再生能源的儲存和應(yīng)用系統(tǒng)。
為了實現(xiàn)高效電解水，我們團隊為此做了很多基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。我再插一句，新加坡很小，它是一個島國，周圍都是海洋。而且我們喝的淡水大都是從馬來西亞進口的。不可能去電解純水。我們的目標就要直接電解海水。在這樣的背景下，我們嘗試通過固體氧化物電解池直接電解海水。從左圖可以看出來，短時間內(nèi)，電解純水和海水的I-V曲線是相當?shù)?。從右上圖可以看出來，長時間內(nèi)，電解純水和電解海水的衰減速度也是相當?shù)?。也就是說，固體氧化物電解池電解純水和海水，海水里面的雜質(zhì)在我們研究范圍內(nèi)不會影響電解效率。從微觀結(jié)構(gòu)上看，我們并沒有找到海水中電解質(zhì)的成分。這些成分不會富積在電極顆粒表面，進而影響到電極的電化學(xué)性能。這個圖介紹了我們做的一個模擬系統(tǒng)，如果用傳統(tǒng)的固體氧化物電解池，燃料電極里面主要成分是Ni-YSZ，我們至少要把電解制得的6.2%氫氣循環(huán)泵回燃料反應(yīng)室，保持反應(yīng)室為還原氣氛，以確保Ni不會氧化為NiO而失去催化活性。我們團隊從2005年開始研發(fā)在氧化還原氣氛下均穩(wěn)定的LSCM電極材料。我們用濕化學(xué)sol-gel方法來合成這種材料。它的形貌近似球形，粉體粒徑分布比較窄，但是它的產(chǎn)量比較低。為此，我們就開發(fā)了一個新的合成工藝，借鑒了先進的陶瓷成型工藝，凝膠注改進的固相反應(yīng)合成工藝。合成出來的粉體，粒徑分布比較均勻，粒徑也比較小。在這個表，我們從原料的來源、原料成本、合成周期、廢氣的排放量、能耗、粒徑分布、電化學(xué)活性和產(chǎn)業(yè)化程度等8個方面來比較了不同的合成工藝。我們可以看出來，凝膠注改進的固相反應(yīng)合成工藝完勝其他的合成工藝。
我們也討論了各種雜質(zhì)氣體對鑭鍶鉻錳電極材料的影響。即使含硫的氣氛中仍然具有較好的長效性。剛才我們一直在討論鑭鍶鉻錳，它是一個氧化還原氣氛下均穩(wěn)定的材料。我們就有一個想法，氨是重要的化肥原料，對氨的需求是非常大的。如果我們用鑭鍶鉻錳為電極的電池電解加濕空氣能否得到合成氨的合成原料呢？為此，我們開展了一些相關(guān)的基礎(chǔ)研究電解加濕空氣。通過氣相色譜分析，我們發(fā)現(xiàn)了一個非常有意思的現(xiàn)象。電解過程中會先把加濕空氣中的氧氣先電解。然后才會電解水，得到氫氣?，F(xiàn)在，我們把樣品放大，做到工作面積十平方厘米左右。目前測試測了400多個小時，測試還比較穩(wěn)定。我們也比較了電解純水和海水的效果，發(fā)現(xiàn)電解海水的長效性反而比純水稍好一些。具體的機理正在深入的研究中。從這個圖上，通過比較，新型的無鎳固體氧化物電解池和傳統(tǒng)鎳基固體氧化物電解池，電池功率密度、雜質(zhì)氣體高容忍度、抗硫性能，我們發(fā)現(xiàn)它值得我們深入研究，獲得商業(yè)化生產(chǎn)。
我們每天都在跟氫打交道，也知道了氫的發(fā)展，已經(jīng)商業(yè)化50多年了。它確實不會給大氣帶來任何負擔。但是大家與氫打交道的過程還是要時刻保持警惕性，安全第一。
節(jié)能減排，綠色生活，需要您我共同努力。愿與大家通力合作，齊心協(xié)力，共創(chuàng)美好未來。
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