第七届长三角国际新能源会议暨第三届新型燃料电池国际论坛总结

发布者:杜斌发布时间:2021-11-24浏览次数:644

20211119-21日,由南京市科学技术协会、东南大学、湖北大学、芬兰阿尔托大学主办的第七届长三角国际新能源会议暨第三届新型燃料电池国际论坛在东南大学榴园宾馆及线上顺利召开。在国家提出“2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和”的时代背景下,本次会议紧扣碳减排和清洁高效能源和国家能源发展规划的主题,为实现清洁能源发展和碳减排群策群力。本次参会有来自中国、芬兰,英国和巴基斯坦、澳大利亚等几十个报告基于新型燃料电池特别聚焦可商业化燃料电池从材料、技术、工程和科学进行全方位研讨,历时两天半,圆满结束。

中国的CO2排放量80%来自煤炭直接燃烧,煤炭气化产氢是实现煤炭清洁利用的有效手段,所以开发以碳基燃料为基础的SOFC发电是有效途径。固体氧化物燃料电池SOFC通过化学反应将氢气的化学能转化为电能。发达国家推进SOFC商业化已经数十年,中国SOFC的商业化起步较晚。但是,传统的SOFCYSZ(钇稳定的二氧化锆)为电解质,由于其低的氧离子电导率的限制,工作温度在800-1000℃,面临高温技术和造价的挑战,商业化进程步履艰难。而且“依靠结构掺杂设计的YSZ材料为核心的发展思路,以及对于燃料电池的科学本质的固有认识在一定程度上限制了SOFC的技术创新和实用商业化。承担社会责任,为国家2030碳达峰、2060碳中和”战略做贡献。开发新型能源器件,拓宽氢能高效利用是本次会议的目标和主题 。

本次会议上,芬兰的Peter Lund院士针对低温燃料电池、3D打印在燃料电池领域的重要性指出了界面调控对于提升SOFC低温性能的重要性,同时强调了材料是新能源产业的关键和低碳产业化的重要性。Peter教授和王军副教授针对近期所创办的《Oxford Open Energy》期刊进行了全面的介绍,鼓励大家积极投稿,分享个人的学术成果。吴宇平教授介绍了在高功率密度混合电容器领域的成就,并对比了超级电容器装置在应用过程中同锂电的差异,还特别邀请了近期同朱斌教授共同主编的杂志《Energy Materials》的主任编辑徐扬进行了介绍。上述两个杂志从能源和材料两个方面为新能源的发展提供助力、保驾护航。Rizwan教授强调了当前应对气候变化的关键技术——SOFC,特别是低温SOFC,而实现这一过程的要点在于半导体离子隔膜的应用。王绍荣教授介绍了YSZ电解质燃料电池从高温到低温的发展历程,提出了兼具薄电解质层和阳极合金支撑的第四代燃料电池,介绍了他们的碳基SOFC的研发。云斯宁教授介绍了能源装置催化剂并指出催化活性和催化剂电子结构之间的调制关系,固液界面的离子电子耦合效应是未来研究的重点。林彬教授基于“碳达峰、碳中和”的大背景,明确我们需要发展“绿电绿氢“,并指出YSZ燃料电池不能一味靠减薄电解质来实现低温和产业化,稳定性也是很重要的方面,肯定了机器学习在材料性能选择上的优势。

东南大学太阳能中心朱斌教授做了题为“下一代燃料电池(Next Generation Fuel Cells)”的主题报告,朱斌教授回顾了燃料电池漫长的发展历史,从1839Grove做出的第一个燃料电池,到上世纪70年代已经进行商业化示范的几代燃料电池,再到如今广泛关注的质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC),其对应实际落地的产品技术都已趋于成熟,但其商业化的运行仍迟迟不能突破,主要由于其产品制备的高成本和对燃料电池的科学认知限制了技术和体系的创新和商业化。朱斌教授“三合一”燃料电池器件的出现,避免了电极、电解质在接触过程中存在的极化问题,涉及半导体电化学、半导体离子学等燃料电池所需的交叉跨学科科学。该概念的出现,为低温陶瓷燃料电池的设计提供了新思想,拓宽了燃料电池设计的思路。朱斌教授带领团队发展了一系列具有优异特征的半导体隔膜和低温SOFC、半导体隔膜燃料电池SMFC体系。该新型电池创造性地将传统SOFC刻意避免的电子电导引入,同时证明了适量的电子电导可以耦合、协同离子输运,大大提高离子电导率和燃料电池输出功率。同时由于半导体隔膜异质结和能带结构的存在避免了电子电导对电池稳定工作产生影响。

目前,新型SMFC已经把传统SOFC推向低温,第一代SMFC450-550℃操作(已经将传统SOFC操作温度减半),最大输出功率1000mW·cm-2,已经完成实验室示范和相应科学理论基础——半导体离子学设计新型表面和界面超离子导体材料和半导体电化学设计新型SMFC器件;第二代SMFC已经成功在350-450℃操作,完成实验室示范,400℃左右稳定输出0.4-0.6W·cm-2功率密度。SMFC填补了现有燃料电池技术的空白,结合了现在高温SOFC的高效,无需贵金属催化,避免了其高造价的商业化瓶颈,同时也避免了现有PEMFC低温氢燃料电池的Pt等贵金属催化剂和纯氢的应用,CO带来的催化剂中毒,以及杜邦膜的“卡脖子技术”。

最重要的是,新型SMFC的材料廉价,可用种类多,自然资源丰富。SMFC器件基于单部件技术和纳米氧化还原的原理,极大地简化传统燃料电池阳极,电解质和阴极的结构,可以大规模廉价生产材料和制造燃料电池。适用于发展柔性半导体陶瓷隔膜,可期待与低温100℃以下使用的杜邦膜氢燃料电池一样,强力推动SMFC的商业化示范和最终占有市场份额。参会报告从材料、技术、工程和科学对新型可商业化燃料电池进行了全方位研讨。本次会议强调了团队协作,协同深化基础科学机理研究,以及从技术发展到工程示范的过程中,要做好资源整合,加强交流,优势互补,发展共赢。首先,重视理论研究对半导体离子电池的科学机制的探讨,使用DFT进行能带和异质结的微像描述,加强数学手段对半导体隔膜材料离子输运以及半导体电化学器件的描述,机器学习优化选择和发展半导体离子功能材料,借助原位拉曼-燃料电池联动系统深入研究电子-离子耦合作用、协同输运和在纳米层面的氧化还原电荷转移的机理研究。其次,半导体离子材料肩负时代使命,要加快材料批量制备,技术发展和工程放大到商业化应用的步伐,基于现有团队的资源和经费支持,正在推进命名为“中-芬世界首台超低温SOFC”的国际领先发电堆的示范。未来,SMFC将广泛应用于分布式发电、便携式能源,特别是在新能源汽车等领域,将大大帮助国家实现 “2030碳达峰、2060碳中和”的战略目标!