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
admin
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據(jù)慧聰網(wǎng)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(shù)論壇上，一項奇妙的技術(shù)引發(fā)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(fā)電；煤化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)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(cè)得到超高純度氧氣，另一側(cè)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(guān)鍵技術(shù)中的未來技術(shù)——陶瓷膜燃料電池以及陶瓷膜反應器。它可使能量轉(zhuǎn)化效率更高、更潔凈，也更容易實現(xiàn)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(nèi)率先提出了陶瓷膜反應器的構(gòu)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(zhì)資源，經(jīng)氣化、純化后，通過高溫陶瓷膜燃料電池發(fā)電；二氧化碳經(jīng)陶瓷膜反應器可以轉(zhuǎn)化為氨和甲醇這樣的能量載體，是一條科學的新能源發(fā)展路線，在解決能源和環(huán)境問題上具有戰(zhàn)略意義。
“吃光用盡”二氧化碳
孟廣耀向記者闡述了這一技術(shù)的獨到之處。一是發(fā)電效率高。煤氣化得到的合成氣（一氧化碳和氫氣）經(jīng)純化后進入陶瓷膜燃料電池能夠直接發(fā)電，直接發(fā)電的效率大于60%，熱電聯(lián)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(chǎn)過程中產(chǎn)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(chǎn)生的合成氣為原料，通過離子和電子轉(zhuǎn)移作用可以讓燃料電池發(fā)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(chǎn)的呢？
孟廣耀說，甲醇做燃料電池發(fā)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(zhì)，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(zhì)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(zhì)則留在了另一側(cè)。
他還說，現(xiàn)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(chǎn)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(zhì)的損失將更少。
關(guān)鍵技術(shù)正在突破
據(jù)孟廣耀介紹，現(xiàn)在中科大已經(jīng)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(lián)供裝置各個環(huán)節(jié)。
他說，陶瓷膜燃料電池單電池的主要制造技術(shù)包括：選擇適當?shù)墓δ芊垠w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(fā)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(fā)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(yè)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(shù)，費用十分昂貴。
孟廣耀說，在連接材料方面，中科大已經(jīng)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(shù)，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(chǎn)業(yè)化，但已經(jīng)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(chǎn)業(yè)化還需國家支持
孟廣耀介紹，美國能源部已經(jīng)斥資5億美元組建了固態(tài)能量轉(zhuǎn)換聯(lián)盟，大力發(fā)展以集成氣化燃料電池為中心的煤基發(fā)電系統(tǒng)，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(zhuǎn)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(fā)方面，我國已經(jīng)探索了十多年，從單電池到電池堆的核心技術(shù)已經(jīng)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(guān)部門的重視，國家對該領域的投入十分有限，成果產(chǎn)業(yè)化十分需要國家的支持。他希望有關(guān)部門能借鑒美國能源部固態(tài)能量轉(zhuǎn)換聯(lián)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(xiàn)這一潔凈高效的能源路線，煤氣化產(chǎn)物的除塵和凈化技術(shù)也很重要，應該盡快國產(chǎn)化?！笆濉逼陂g，應組織多家單位進行聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，否則將阻礙整個煤氣化多聯(lián)產(chǎn)、高效發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。