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鉆瓜田科技成果推薦第11期：生物天然氣工程/氫能與燃料電池項目前沿科技

2023-07-31 13:28:06 生物天然氣科技成果推薦氫能與燃料電池項目閱讀(67685)

雙碳目標下，國內(nèi)氫能源具有巨大的發(fā)展空間，氫能將主要應(yīng)用于交通運輸、工業(yè)、電力、建筑等領(lǐng)域。在“碳達峰碳中和”（3060）的目標導(dǎo)向下，氫能作為一種最清潔無碳的二次能源，憑借著來源豐富、靈活高效、應(yīng)用場景廣泛等優(yōu)點，在全球都迎來了巨大的發(fā)展機遇。

1、木質(zhì)纖維素整合生物加工糖化技術(shù)

目前常規(guī)的木質(zhì)纖維素糖化方法是添加游離纖維素酶及半纖維素酶系，但纖維素酶生產(chǎn)成本較高，且核心技術(shù)掌握在少數(shù)國外公司手中，嚴重限制了木質(zhì)纖維素的工業(yè)化利用。整合生物加工(CBP)在一個反應(yīng)器中完成從纖維素降解到能源產(chǎn)品合成的全過程，從而降低成本、簡化過程，是最有希望實現(xiàn)木質(zhì)纖維素工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)之一。

通過菌株工程改造及工藝優(yōu)化,獲得熱纖梭菌的CBP高效糖化全菌催化劑,糖化效率比野生菌種高5倍以上,并最終建立木質(zhì)纖維素產(chǎn)糖的一體化CBP工藝噸級示范，可發(fā)酵糖含量>80g/L。

我國每年的農(nóng)林廢棄物總量約15億噸，若30%用來生產(chǎn)燃料乙醇，以6噸產(chǎn)1噸乙醇估算，則可形成7500萬噸燃料乙醇生產(chǎn)能力，與目前國內(nèi)成品汽油消耗總量相當(dāng)。因此，大量可再生木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)資源的清潔、高效、低成本降解利用是加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，保障國家能源安全和碳減排的一項重要戰(zhàn)略任務(wù)，具有不與人爭糧、不與糧爭地的突出優(yōu)勢。該項目開發(fā)基于CBP技術(shù)的木質(zhì)纖維素的高效利用工藝能極大降低下游產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，簡化生產(chǎn)流程，具有廣泛的市場前景和可觀的經(jīng)濟效益。

2、農(nóng)業(yè)秸稈等固態(tài)廢棄物沼氣/生物天然氣工程

農(nóng)業(yè)秸稈是纖維素生物質(zhì)，質(zhì)輕而難水解，纖維素生物質(zhì)在厭氧發(fā)酵過程中，一方面，隨著物料逐漸被微生物降解，纖維素結(jié)構(gòu)被破壞，附著微生物和物料木質(zhì)素含量上升，物料密度逐漸增大，會隨著降解的進行，逐漸下沉；另一方面，由于沼氣的產(chǎn)生，沼氣的微小氣泡附著在纖維素物料上，會造成纖維素物料的上升，尤其是新進入罐內(nèi)的纖維素物料，上浮現(xiàn)象更加明顯。基于上述多種因素，農(nóng)業(yè)秸稈厭氧發(fā)酵，尤其在高濃度條件下，運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)物料分層現(xiàn)象，嚴重時造成纖維素物料上浮后脫水，附著的微生物死亡后造成浮渣層結(jié)殼，從而造成工程運行中斷。因此，消除纖維素物料發(fā)酵過程中的分層現(xiàn)象，是保證高

濃度厭氧發(fā)酵工程穩(wěn)定、高效運行的必要條件。

該項目依據(jù)發(fā)酵物料特性，針對秸稈類纖維素生物質(zhì)發(fā)酵過程的氣液固三相復(fù)雜體系流體力學(xué)模型模擬，結(jié)合流體力學(xué)特征，精準表征和計算發(fā)酵體系的流體力學(xué)特征，對攪拌機安裝位置和角度以及組合方式與物料進出罐體方式進行系統(tǒng)優(yōu)化，從發(fā)酵反應(yīng)器整體空間結(jié)構(gòu)方面進行傳質(zhì)過程優(yōu)化設(shè)計，綜合影響發(fā)酵運行的各種因素，集成生物質(zhì)固態(tài)進料系統(tǒng)、高濃度攪拌系統(tǒng)、新型拼裝式反應(yīng)器、沼渣沼液在線分離和保溫回流系統(tǒng)，整體設(shè)計和制造厭氧反應(yīng)器，實現(xiàn)從進料到發(fā)酵到出料的全方位最優(yōu)化設(shè)計和高度匹配，將技術(shù)固化于設(shè)備，開發(fā)出了高濃度厭氧發(fā)酵技術(shù)及與其配套的整體反應(yīng)器，提高了厭氧發(fā)酵效率、降低了投資和運行能耗，完成了農(nóng)業(yè)秸稈、禽畜糞污等為單一或混合原料的產(chǎn)業(yè)化示范工程。

該項目通過核心設(shè)備的標準化、模塊化、系列化，已經(jīng)實現(xiàn)標準化生產(chǎn)，具備成熟的商業(yè)化推廣條件，開展規(guī)模化生物質(zhì)天然氣產(chǎn)業(yè)化項目推廣，建設(shè)國內(nèi)領(lǐng)先乃至國際領(lǐng)先的生物天然氣工程，為農(nóng)業(yè)秸稈等生物質(zhì)廢棄物處理和分布式清潔能源供給提供產(chǎn)業(yè)化解決方案。

3、沼氣高效提純精制生物天然氣

沼氣是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，可通過多29種生物質(zhì)發(fā)酵獲得。我國有著儲量巨大的生物質(zhì)資源，包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城市固體廢棄物，及其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品等。沼氣利用的途徑有多種，比如直接利用燃燒供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)或者提純凈化后作為車載燃氣、家庭供熱、化工原料等天然氣使用。沼氣經(jīng)過提純凈化制備的生物天然氣，可以完全替代石化天然氣，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平和經(jīng)濟可行性，我國能轉(zhuǎn)化當(dāng)量生物天然氣1200億立方米，可以大幅降低我國對石化天然氣依賴程度。

沼氣高效提純精制生物天然氣是沼氣提純凈化制備高品質(zhì)生物天然氣、大幅提升甲烷利用品質(zhì)的技術(shù)。目前沼氣脫碳的主要工藝包括有機胺吸收法、壓力水洗法、膜分離方法、變壓吸附法、物理吸收法、深冷分離法等。而本項目開發(fā)的沼氣加壓水洗技術(shù)集成了水洗脫碳過程中閃蒸技術(shù)的合理有效利用技術(shù)、吸收塔解吸塔內(nèi)部核心部件的開發(fā)、同步回收二氧化碳技術(shù)、沼氣工程的能量集成系統(tǒng)設(shè)計和自動化控制系統(tǒng)設(shè)計等多個方面進行優(yōu)化設(shè)計和開發(fā)。本項目開發(fā)的沼氣加壓水洗技術(shù)結(jié)合撬裝設(shè)備的設(shè)計理念，可在各種處理規(guī)模的沼氣工程中加以應(yīng)用推廣。

該項目通過核心設(shè)備的標準化、模塊化，已經(jīng)實現(xiàn)標準化生產(chǎn)，具備成熟的商業(yè)化推廣條件，可開展沼氣高效精致生物天然氣產(chǎn)業(yè)化示范項目推廣，依托科研裝備研制和關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)和研制了日處理能力2400m3的秸稈生物天然氣純化產(chǎn)業(yè)化中試科研裝備系統(tǒng)。

4、高性能聚合物固態(tài)鋰電池技術(shù)

我國《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》，提出加快固態(tài)動力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化是“新能源汽車核心技術(shù)攻關(guān)工程”。針對傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池主要存在的續(xù)航和安全方面的缺陷，面向國家深海裝備重大戰(zhàn)略需求，研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心深耕固態(tài)鋰電池關(guān)鍵技術(shù)，歷經(jīng)十幾年攻關(guān)，國際首創(chuàng)“剛?cè)岵本酆衔飶?fù)合固態(tài)電解質(zhì)，秉承“功（率）能（量）兼?zhèn)洹钡南到y(tǒng)設(shè)計理念，開發(fā)出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高比能、高安全、高耐深海壓、長使役壽命固態(tài)鋰電池及深海特種電源系統(tǒng)，率先在馬里亞納海溝實現(xiàn)全海深應(yīng)用，為國家深海環(huán)境探測、科學(xué)研究提供了強有力的能源技術(shù)支撐，在國際上開創(chuàng)了高比能固態(tài)鋰電池特種電源系統(tǒng)深海智能裝備應(yīng)用新局面，設(shè)了國際一流的固態(tài)鋰電池研發(fā)和生產(chǎn)裝備平臺，建立了完整的固態(tài)鋰電池技術(shù)體系，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)和核心產(chǎn)品。性能指標達到能量密度300-500wh/kg，循環(huán)壽命1000+次。

建成了百兆瓦工程化平臺，成功研制出“剛?cè)岵钡母甙踩⒏弑饶芄虘B(tài)鋰離子電池，于國內(nèi)首次實現(xiàn)全深海電源動力應(yīng)用，已累計為各類深海科考裝備用戶提供了近百批次固態(tài)鋰電池電源系統(tǒng)。

5、氫能與燃料電池項目

聚焦綠色規(guī)模化制氫和氫氣純化, 開發(fā)出系列離子傳導(dǎo)膜材料及相應(yīng)中空纖維膜、管狀膜、平板膜、催化劑等，用于電解水制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫提純等領(lǐng)域，完成10kW級再生燃料電池開發(fā)及與太陽能電池聯(lián)用。在電解海水制氫方面開發(fā)了一系列高價陰離子插層、原位刻蝕生長的催化劑，展現(xiàn)出杰出的抗氯離子腐蝕性能。面向氫燃料電池核心鍵部件雙極板國產(chǎn)化的重大產(chǎn)業(yè)需求，突破高性能超薄（1.4-1.8mm）柔性石墨雙極板關(guān)鍵技術(shù)，完成批量化生產(chǎn)工藝開發(fā)（年產(chǎn)能20萬片），技術(shù)指標處于同類產(chǎn)品領(lǐng)先水平。推進燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化，開發(fā)燃料電池電堆（產(chǎn)能10MW），功率不小于50kW、功率密度大于3kW/L。燃料電池系統(tǒng)集成技術(shù)，完成特殊領(lǐng)域用大功率發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)和地面聯(lián)試，開發(fā)無人機氫燃料電池可以有效提高無人機的巡航時間3-5倍。在甲醇燃料電池方面，成功研發(fā)出千瓦級甲醇燃料電池、便攜式甲醇燃料電池（50-100W）并且通過了現(xiàn)場實證。

6、“三高”天然多糖改性制備及應(yīng)用開發(fā)技術(shù)

2021年是《化妝品監(jiān)督管理條例》實施的第一年，這對日化行業(yè)的方方面面產(chǎn)生顛覆性的改變，尤其是新原料或成工廠競爭焦點。化妝品原料既是安全的核心，也是技術(shù)創(chuàng)新的核心。本項目開發(fā)的改性天然多糖類化合物是系列天然可再生可降解的綠色資源，研究團隊以來源廣泛、可再生的瓜爾膠、淀粉、田菁、羅望子、皂莢豆膠等天然植物多糖為基材，經(jīng)過改性修飾，既保留了天然多糖無毒副作用和可生物降解的優(yōu)點，又賦予了其優(yōu)異的增稠、調(diào)理、柔順等性能，主要應(yīng)用附加值高的日化產(chǎn)品的調(diào)理增稠以及香精包埋。近年來，國內(nèi)天然多糖類產(chǎn)品正以年均20％的速度增長，2020年國內(nèi)需求量可達到1000萬噸，多個多糖品種凈利潤甚至高于10~20萬/噸，市場容量市值將超萬億美元，市場發(fā)展?jié)摿薮螅嗵窃袭a(chǎn)業(yè)一直處于高附加發(fā)展行業(yè)，國內(nèi)擁有高精端的生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量少之又少。

在上述開發(fā)的改性不同天然植物多糖基礎(chǔ)上，根據(jù)各改性多糖的特性，本項目進一步進行生產(chǎn)效益和社會效益較高的日化領(lǐng)域中的應(yīng)用開發(fā)，致力于解決該領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題，打造技術(shù)創(chuàng)新型的研發(fā)公司。利用改性天然多糖進行適當(dāng)?shù)呐浜希_發(fā)了所有工業(yè)化表活中最具可持續(xù)發(fā)展的谷氨酸表活洗護系列，解決了氨基酸洗護行業(yè)中存在著氨基酸表活增稠難、去污力差、泡沫不豐富、調(diào)料性差等等制約行業(yè)發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸。我們洗護的成分主要有三類：植物活性多糖、氨基酸表面活性劑體系、功效營養(yǎng)體系。完全沒有硫酸酯鈉（S系列）、硅油柔潤劑系列、聚季銨鹽調(diào)理劑系列、控油調(diào)脂成分、去屑劑等成分，合成類增稠劑系列，無需護發(fā)素。實現(xiàn)行業(yè)新突破。

7、高鎳梯度鋰離子電池正極材料技術(shù)

正極材料是鋰離子電池的瓶頸，占電池總成本30%以上。消費者對電池的續(xù)航能力要求越來越高，高鎳化是提升三元正極材料比容量的核心方案，但高鎳化后的材料存在安全性能差、循環(huán)壽命短及表面堿性高等問題，而使高鎳三元材料梯度化是除單晶外另一條有望一次性解決上述三種問題的可行技術(shù)路線。高鎳梯度三元正極材料是指從二次顆粒核心到表面，鎳元素含量逐漸減少而鈷和錳元素

含量逐漸增多的一種材料設(shè)計，該方案既可以利用表面含量較高的錳元素穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)、提高其安全性能，又可以充分發(fā)揮核心高鎳材料的高比容優(yōu)勢和循環(huán)性能，還可以降低材料表面的堿性，實現(xiàn)“一石三鳥”的目的。

該項目已完成在20L反應(yīng)釜中試規(guī)模的工藝條件探索，并將其放大應(yīng)用到2 m³的反應(yīng)結(jié)晶器；研發(fā)了高效的旋轉(zhuǎn)燒結(jié)爐，可保證燒結(jié)產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。實現(xiàn)了從前驅(qū)體制備到燒結(jié)及商品化材料包覆和摻雜工藝的優(yōu)化，完成了高鎳三元正極梯度材料從工藝到生產(chǎn)裝備的研發(fā)，滿足了梯度材料的規(guī)模化生產(chǎn)示范，現(xiàn)可進行對外合作。

8、微藻合成生物技術(shù)與綠色生物制造

隨著經(jīng)濟持續(xù)增長、核心人群擴容，中國化妝品行業(yè)逐步發(fā)展為一個初具規(guī)模、極富生機活力的產(chǎn)業(yè)，迎來了行業(yè)的黃金時代。成分新星-甘油葡糖苷（以下簡稱GG）的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，除了能達到與透明質(zhì)酸等同的保濕效果以外，GG優(yōu)異的透皮性，有效活性成分可直達皮膚真皮層，發(fā)揮抗衰去皺、抗炎舒敏、護發(fā)養(yǎng)發(fā)、提質(zhì)亮膚等多種生理功效，廣泛應(yīng)用于護膚養(yǎng)發(fā)等產(chǎn)品中，逐漸為品牌方和消費者所接受和追捧。

針對市場上GG多構(gòu)型、多雜質(zhì)、非天然、不環(huán)保、高成本的問題，成功開發(fā)國際首創(chuàng)微藻合成高值天然產(chǎn)物甘油葡糖苷先進生物制造技術(shù)—SCGP技術(shù)（Smart Cyano Glucosylglycerol Polygeneration Technology），實現(xiàn)高品質(zhì)天然GG產(chǎn)品的量產(chǎn)和銷售。采用國際首創(chuàng)SCGP生物制造技術(shù)，通過細胞無損傷提取等獨家專利技術(shù)精制，全生產(chǎn)過程環(huán)境友好，不使用有機溶劑，純度可達世界領(lǐng)先水平的99%以上。產(chǎn)品易溶于水，適用pH范圍為3.0-11.0，對皮膚及眼睛均無刺激性，不含激素、農(nóng)殘及重金屬，可直接應(yīng)用在保濕水、膏霜、乳液、精華液、凝膠、面膜及護發(fā)養(yǎng)發(fā)等多個化妝品類目中，且與其他化妝品無不兼容現(xiàn)象。

目前GG已經(jīng)廣泛應(yīng)用于面膜、化妝水、面霜、防曬霜、乳液等化妝品中，并積極在功效性食品、母嬰類產(chǎn)品等領(lǐng)域拓展應(yīng)用場景，已取得突破性進展，實現(xiàn)了國產(chǎn)替代。基于中科藍智GG優(yōu)異的產(chǎn)品功效和99%以上的高純度，加上純天然來源的加持，未來在醫(yī)藥領(lǐng)域有非常巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。

9、固體廢物生產(chǎn)新型生態(tài)透水磚技術(shù)

該項目以石墨尾礦等固體廢物為主要原料，以頁巖代替粘土作為塑化劑提高成型工藝性能，在配料中加入爐渣，利用爐渣殘余碳燃燒產(chǎn)生的熱量，實現(xiàn)磚體的燒結(jié)，從而制備生態(tài)透水磚。這一方面研制的生態(tài)透水磚具有透水、保水、美化、硬化等多項功能，對城市大氣調(diào)節(jié)、地表植被生長、地下水保護，城市生態(tài)環(huán)境改善，建設(shè)海綿城市具有重大意義；另外，可解決固體廢物對環(huán)境的污染的問題。本項目創(chuàng)新之處在于：1、原料中以閑置資源--頁巖代替粘土，不僅節(jié)約土地，還提高了透水磚的生產(chǎn)工藝性能和產(chǎn)品性能。2、以爐渣為原料，利用爐渣中殘留碳燃燒產(chǎn)生的熱量，實現(xiàn)磚體的燒結(jié)，無需外加熱源，增加了固體廢物用量，節(jié)約了能源。本產(chǎn)品的優(yōu)勢在于：環(huán)保、無污染、生產(chǎn)工藝簡單、成本低，具有較好的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。

由于其他廠家的生產(chǎn)成本較高，且由于主原料的有限性，限制了其推廣應(yīng)用。而采用本項目技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品，由于采用石墨尾礦、爐渣等固體廢物為主要原料，原料儲量大，因此生產(chǎn)成本低；再加上國家環(huán)保政策的優(yōu)惠，該產(chǎn)品有明顯的價格競爭優(yōu)勢，并可擴大環(huán)保陶瓷生態(tài)磚的應(yīng)用，擴大市場。因此，本產(chǎn)品具有良好的市場前景。

10、快充型鋰電負極材料開發(fā)技術(shù)

安全性和高成本是動力鋰離子電池發(fā)展的瓶頸。鋰離子電池主要由正極、負極和電解質(zhì)（包括隔膜）三部分組成，負極材料角度看，隨著對于縮短充電時間的迫切需求，能夠提供較高快充能力的人造石墨逐漸成為市場的主流，能夠提高更高能量密度的硅碳材料也逐漸得到推廣應(yīng)用，但是無論是人造石墨或者硅碳負極材料，隨著動力電池能量密度的不斷提升在進一步提升快充倍率性能方面均有較大的局限性。在傳統(tǒng)負極性能日漸不能滿足動力市場需求的背景之下，軟/硬碳等快充負極材料由于其特殊的儲鋰機理、具有優(yōu)異的安全性、倍率特性、低溫電化學(xué)性能而備受關(guān)注，特別是針對10C以上大電流充放電應(yīng)用時。考慮到軟/硬碳類負極材料其低溫性能和倍率性能遠優(yōu)于現(xiàn)有石墨類負極材料，與石墨類材料混合使用可以大幅度改善石墨復(fù)合負極材料的倍率性能，但是由于制備工藝以及成本上的原因，目前只有日韓企業(yè)有相關(guān)軟/硬碳等負極的制備以及應(yīng)用報道，在我國還沒有的得到大規(guī)模的應(yīng)用，頭部電池材料廠家只有相應(yīng)的技術(shù)儲備也沒有相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)化商品推出。

軟/硬碳等負極材料在制備過程中不需要高溫石墨化處理，可以通過原料篩選及預(yù)處理工藝、造孔及表面修飾技術(shù)充分利用缺陷改善鋰離子在碳材料中的快速傳輸性能，有望開發(fā)出兼具高容量、高首效、高倍率、低成本等突出特性的動力鋰離子電池用碳負極材料。因此,本項目開發(fā)出使用焦類作為原料的兼具高功率高容量特性的動力鋰離子電池用軟硬碳負極材料，通過對制備工藝的優(yōu)化改善電化學(xué)性能并提高材料首次效率，可以開發(fā)出比容量300-500mAh/g系列負極材料產(chǎn)品，具有超快充(>10C)、超長壽命及優(yōu)異的低溫特性，可以廣泛的用于2V/48V啟動電源、混合動力汽車、超快充3C類電池、鋰離子混合電容、低溫電池以及軍事特種電池等領(lǐng)域。

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聯(lián)系人：趙暉（18622028255，微信號zhao07180608)：zhao07180608

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