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南洋理工大学张兰:新加坡燃料电池和氢能的研究进展

作者:中国国际储能大会 来源:中国国际储能大会 时间:2019-05-24 浏览:

中国国际储能大会:4月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月26日上午的“氢能与燃料电池”专场,新加坡南洋理工大学高级研究员张兰在会上分享了主题报告《新加坡燃料电池和氢能的研究进展》,以下为演讲实录:

张兰:各位老师,各位领导,上午好!非常感谢组委会和官老师的邀请,给我这次机会给大家分享一下新加坡燃料电池和氢能的研究进展。

新加坡为什么要发展燃料电池和氢能呢?它的动力来源于哪里?首先,2015年巴黎协议大家都知道,在本世界我们要把全球平均气温上升幅度控制在1.5度之内。另外一个,新加坡政府承诺到2030年碳排放强度相对于2005年的碳排放强度要降低36%。最后一个,温度的变化已经给新加坡的生存环境带来了很大的挑战。我们从这张图上可以看到,从1948年到2016年,每十年的气温上升大概达到了0.25度,这是一个非常大的挑战。我们可以看到右上图,海平面一直在上升。预计将来会上升一米。这个时候新加坡已经变得很小很小,本来新加坡就很小。它是地球上的一个小红点,它的面积约720平方公里,只有北京面积的22分之一。在这样的生存环境的挑战下,我们是不是要做一些工作?

先了解一下新加坡二氧化碳排放情况和能源消费结构。从左图可以看出来,新加坡能源结构上主要使用的是原油。大家很奇怪新加坡是一个没有资源没有水源的国家。为什么能源结构上原油会占绝大部分呢?在这里,我非常自豪地告诉大家,新加坡是世界上第三大炼油中心。其次现在为了降低碳排放量开始大量使用天然气。从中间的图上可以看出来,中国的能源结构上仍然是以煤为主,当然水力发电和可再生能源也渐渐进入角色促进减排。世界能源消费结构上来看仍然以煤、天然气和原油等一次能源为主。我们大家还需要再接再励,携手促进减排,多开发一些可行的利用再生能源的技术。从左边的图上可以看到,近十年新加坡人均碳排放量的变化趋势,所以说要想达到2030年碳排放强度降低36%,这个挑战是蛮大的。右图介绍了新加坡碳排放量的结构,主要是电力/热能、工业和交通这三个方面。从左上图,如果以每美元国民生产总值来看,新加坡碳排放量在142个国家中排在第123位,但是以人均碳排放量算,新加坡则排在了第26位。这是由于,新加坡面积很小,人口密度很大。面积是北京的22分之一,人口密度却是北京的六倍。右图是一个估算,2020年新加坡的碳排放量有可能会达到77.2兆吨。

在这里,为了进一步减少碳排放量,新加坡政府做了一些中长期的规划。在我们的火力发电上将会减少原油,更多地加入一些天然气来发电。另外鼓励全民使用太阳能。如何鼓励呢?现在在我们普通老百姓居住的屋子屋顶,学校的屋顶以及蓄水池表面都加装了太阳。左上图是新加坡的太阳能装机容量,右图是太阳能实时发电量。这个图是在线的,有兴趣的朋友可以登陆下面的网站,实时查看新加坡所有太阳能发电量。

太阳能是一种间歇式能源,如何把它储存起来呢?政府从1998年开始规划了燃料电池和氢能的发展。南洋理工大学燃料电池实验室就是在这样的背景下诞生的,1998年成立。一个课题组不足以完成所有的任务,新加坡主要的燃料电池和氢能技术的发展历程就在这张表上统计了。2009年为了进一步综合利用各种可再生能源,例如:太阳能、风能、潮汐能等等。2009年在南洋理工大学成立了一个能源研究所。能源研究所成立之后,首先承担了两个旗舰项目,一个是生态校园,这个生态校园会充分利用太阳能。目前校园屋顶上的太阳能装机容量是5兆瓦,将来要达到9.9兆瓦。这些能量能够满足大学7%-10%的能源使用。

另外,这是新加坡可再生能源集成演示。大家有兴趣的话,可以在YouTube上搜NTU REIDS - Renewable Energy Integration Demonstrator Singapore就可以看到我们这个项目是如何综合利用各种可再生能源。刚才介绍了太阳能是间隙式能源。但是间歇式能源如何储存是目前大家都在热议的问题。在新加坡,我们的团队是使用了这样一个生态城市的系统,把可再生的太阳能通过电解水制得氧气和氢气储存起来。当然,也会通过重整天然气补充不足的氢气。这样燃料电池汽车就会有足够的氢气。这是示意图对比了新旧生态城市系统的差别,原先的储能系统是只有锂电,现在的储能系统加上了电解水储存多余的太阳能。这个图介绍了可再生能源的储存和应用系统的工作原理,绿色部分是放电模式,当电网或者住的组屋里面的电不够的时候就会消耗氢气发电。当电有多余的时候,就会消耗电能,电解水生成氢气和氧气储存起来。这就是可再生能源的储存和应用系统。

为了实现高效电解水,我们团队为此做了很多基础和应用研究。我再插一句,新加坡很小,它是一个岛国,周围都是海洋。而且我们喝的淡水大都是从马来西亚进口的。不可能去电解纯水。我们的目标就要直接电解海水。在这样的背景下,我们尝试通过固体氧化物电解池直接电解海水。从左图可以看出来,短时间内,电解纯水和海水的I-V曲线是相当的。从右上图可以看出来,长时间内,电解纯水和电解海水的衰减速度也是相当的。也就是说,固体氧化物电解池电解纯水和海水,海水里面的杂质在我们研究范围内不会影响电解效率。从微观结构上看,我们并没有找到海水中电解质的成分。这些成分不会富积在电极颗粒表面,进而影响到电极的电化学性能。这个图介绍了我们做的一个模拟系统,如果用传统的固体氧化物电解池,燃料电极里面主要成分是Ni-YSZ,我们至少要把电解制得的6.2%氢气循环泵回燃料反应室,保持反应室为还原气氛,以确保Ni不会氧化为NiO而失去催化活性。我们团队从2005年开始研发在氧化还原气氛下均稳定的LSCM电极材料。我们用湿化学sol-gel方法来合成这种材料。它的形貌近似球形,粉体粒径分布比较窄,但是它的产量比较低。为此,我们就开发了一个新的合成工艺,借鉴了先进的陶瓷成型工艺,凝胶注改进的固相反应合成工艺。合成出来的粉体,粒径分布比较均匀,粒径也比较小。在这个表,我们从原料的来源、原料成本、合成周期、废气的排放量、能耗、粒径分布、电化学活性和产业化程度等8个方面来比较了不同的合成工艺。我们可以看出来,凝胶注改进的固相反应合成工艺完胜其他的合成工艺。

我们也讨论了各种杂质气体对镧锶铬锰电极材料的影响。即使含硫的气氛中仍然具有较好的长效性。刚才我们一直在讨论镧锶铬锰,它是一个氧化还原气氛下均稳定的材料。我们就有一个想法,氨是重要的化肥原料,对氨的需求是非常大的。如果我们用镧锶铬锰为电极的电池电解加湿空气能否得到合成氨的合成原料呢?为此,我们开展了一些相关的基础研究电解加湿空气。通过气相色谱分析,我们发现了一个非常有意思的现象。电解过程中会先把加湿空气中的氧气先电解。然后才会电解水,得到氢气。现在,我们把样品放大,做到工作面积十平方厘米左右。目前测试测了400多个小时,测试还比较稳定。我们也比较了电解纯水和海水的效果,发现电解海水的长效性反而比纯水稍好一些。具体的机理正在深入的研究中。从这个图上,通过比较,新型的无镍固体氧化物电解池和传统镍基固体氧化物电解池,电池功率密度、杂质气体高容忍度、抗硫性能,我们发现它值得我们深入研究,获得商业化生产。

我们每天都在跟氢打交道,也知道了氢的发展,已经商业化50多年了。它确实不会给大气带来任何负担。但是大家与氢打交道的过程还是要时刻保持警惕性,安全第一。

节能减排,绿色生活,需要您我共同努力。愿与大家通力合作,齐心协力,共创美好未来。

谢谢您的聆听!


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