孟廣耀攜陶瓷膜燃料電池來北京出席能源清潔利用論壇
2014-05-13 19:16:28
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據慧聰網2009年8月13日訊 8月7～9日在北京舉辦的2009中國化石能源清潔利用技術論壇上，一項奇妙的技術引發了與會者的極大興趣：煤氣化得到的一氧化碳和氫氣進入陶瓷膜燃料電池，可以高效發電；煤化工生產過程中產生的二氧化碳與水一同穿過帶有極性的陶瓷膜之后，膜的一側得到超高純度氧氣，另一側變成了一氧化碳和氫氣，進一步加壓并加入催化劑，還能合成甲醇或合成氨。
這就是國際上稱作新能源路線關鍵技術中的未來技術——陶瓷膜燃料電池以及陶瓷膜反應器。它可使能量轉化效率更高、更潔凈，也更容易實現二氧化碳減排與利用。
目前陶瓷膜燃料電池在國際上的研究剛剛起步，中國科技大學在國內率先提出了陶瓷膜反應器的構思。中國科技大學固體化學與無機膜研究所所長孟廣耀表示，碳氫化合物燃料包括化石資源和生物質資源，經氣化、純化后，通過高溫陶瓷膜燃料電池發電；二氧化碳經陶瓷膜反應器可以轉化為氨和甲醇這樣的能量載體，是一條科學的新能源發展路線，在解決能源和環境問題上具有戰略意義。
“吃光用盡”二氧化碳
孟廣耀向記者闡述了這一技術的獨到之處。一是發電效率高。煤氣化得到的合成氣（一氧化碳和氫氣）經純化后進入陶瓷膜燃料電池能夠直接發電，直接發電的效率大于60%，熱電聯供更是超過80%。而目前大型燃煤電廠的效率只有43～45%，若尾部煙氣脫除二氧化碳，效率還會降到32～34%。二是便于對生產過程中產生的二氧化碳直接利用，即通過陶瓷膜反應器制備合成氨或甲醇，而且合成氨、甲醇及其衍生物還能吸收二氧化碳。這樣不僅能*大限度地減排，還讓本來是“禍害”的二氧化碳變成了石化基本原料以及能量載體。
以煤氣化產生的合成氣為原料，通過離子和電子轉移作用可以讓燃料電池發電，人們對此不難理解。可陶瓷膜反應器是如何將二氧化碳和水重新變成合成氣用于合成氨或甲醇生產的呢？
孟廣耀說，甲醇做燃料電池發電后可以得到一氧化碳和水，水電解可以得到氧氣和氫氣。若能找到一種合適的介質，將二氧化碳和水電解，就能得到一氧化碳和氧氣了。能完成這項任務的介質就是氧離子導體——陶瓷膜。陶瓷膜具有氧離子導電性，氧離子可以穿過陶瓷膜，其他物質則留在了另一側。
他還說，現在的陶瓷膜反應器是在高溫下（600～900℃）先合成一氧化碳和氫氣，再合成甲醇等化工產品，將來如果可以在比較低的溫度下（比如三四百攝氏度）進行，就可以一步直接合成甲醇了，能量和物質的損失將更少。
關鍵技術正在突破
據孟廣耀介紹，現在中科大已經擁有十幾項專利，涵蓋了粉體材料、涂膜、連接材料、單電池、電池堆、熱電聯供裝置各個環節。
他說，陶瓷膜燃料電池單電池的主要制造技術包括：選擇適當的功能粉體材料制成管狀支撐材料，熱處理涂膜以及制作單電池。單電池盡管電流很大，但它的發電能力只有1伏特左右，實際應用時只有0.6～0.7伏特。將單電池連接起來，組成電池堆，才能提高發電能力。而組成電池堆*好的方法就是在單電池之間加入連接材料。
目前美國有6個工業化團隊在進行該研究，做管狀連接的還沒有成功；有的公司用導線連接，電池組容量很難大幅度提高；西門子-西屋公司采用連接材料，從理論上說一個電池組的功率可以達到1千瓦，但他們采用大氣等離子體噴吐的陰極支撐技術，費用十分昂貴。
孟廣耀說，在連接材料方面，中科大已經取得實驗室成果。他們利用陽極支撐的全陶瓷燃料電池共燒法制備技術，制造出了世界*低造價的管狀陶瓷膜燃料電池。雖然研究成果還沒有產業化，但已經走在了世界前列。陶瓷膜反應器合成化工基礎材料其實就是燃料電池的逆過程，在這方面，中科大的研究更是走在了前頭。
產業化還需國家支持
孟廣耀介紹，美國能源部已經斥資5億美元組建了固態能量轉換聯盟，大力發展以集成氣化燃料電池為中心的煤基發電系統，力爭2010年將固體氧化物燃料電池制造成本降到400美元/千瓦，2012～2015年建成1兆瓦級的概念示范項目，達到50～60%的能量轉化效率和90%的二氧化碳捕集率。
孟廣耀表示，在陶瓷膜燃料電池研發方面，我國已經探索了十多年，從單電池到電池堆的核心技術已經具備，陶瓷膜反應器更是獨具匠心。但該領域的研究還未能引起國家有關部門的重視，國家對該領域的投入十分有限，成果產業化十分需要國家的支持。他希望有關部門能借鑒美國能源部固態能量轉換聯盟計劃，盡快確立一個陶瓷膜燃料電池新能源的重大科技專項。
孟廣耀還表示，要實現這一潔凈高效的能源路線，煤氣化產物的除塵和凈化技術也很重要，應該盡快國產化。“十二五”期間，應組織多家單位進行聯合技術攻關，否則將阻礙整個煤氣化多聯產、高效發電技術的發展。