孟广耀携陶瓷膜燃料电池来北京出席能源清洁利用论坛
2014-05-13 19:16:28
admin
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据慧聪网2009年8月13日讯 8月7～9日在北京举办的2009中国化石能源清洁利用技术论坛上，一项奇妙的技术引发了与会者的极大兴趣：煤气化得到的一氧化碳和氢气进入陶瓷膜燃料电池，可以高效发电；煤化工生产过程中产生的二氧化碳与水一同穿过带有极性的陶瓷膜之后，膜的一侧得到超高纯度氧气，另一侧变成了一氧化碳和氢气，进一步加压并加入催化剂，还能合成甲醇或合成氨。
这就是国际上称作新能源路线关键技术中的未来技术——陶瓷膜燃料电池以及陶瓷膜反应器。它可使能量转化效率更高、更洁净，也更容易实现二氧化碳减排与利用。
目前陶瓷膜燃料电池在国际上的研究刚刚起步，中国科技大学在国内率先提出了陶瓷膜反应器的构思。中国科技大学固体化学与无机膜研究所所长孟广耀表示，碳氢化合物燃料包括化石资源和生物质资源，经气化、纯化后，通过高温陶瓷膜燃料电池发电；二氧化碳经陶瓷膜反应器可以转化为氨和甲醇这样的能量载体，是一条科学的新能源发展路线，在解决能源和环境问题上具有战略意义。
“吃光用尽”二氧化碳
孟广耀向记者阐述了这一技术的独到之处。一是发电效率高。煤气化得到的合成气（一氧化碳和氢气）经纯化后进入陶瓷膜燃料电池能够直接发电，直接发电的效率大于60%，热电联供更是超过80%。而目前大型燃煤电厂的效率只有43～45%，若尾部烟气脱除二氧化碳，效率还会降到32～34%。二是便于对生产过程中产生的二氧化碳直接利用，即通过陶瓷膜反应器制备合成氨或甲醇，而且合成氨、甲醇及其衍生物还能吸收二氧化碳。这样不仅能*大限度地减排，还让本来是“祸害”的二氧化碳变成了石化基本原料以及能量载体。
以煤气化产生的合成气为原料，通过离子和电子转移作用可以让燃料电池发电，人们对此不难理解。可陶瓷膜反应器是如何将二氧化碳和水重新变成合成气用于合成氨或甲醇生产的呢？
孟广耀说，甲醇做燃料电池发电后可以得到一氧化碳和水，水电解可以得到氧气和氢气。若能找到一种合适的介质，将二氧化碳和水电解，就能得到一氧化碳和氧气了。能完成这项任务的介质就是氧离子导体——陶瓷膜。陶瓷膜具有氧离子导电性，氧离子可以穿过陶瓷膜，其他物质则留在了另一侧。
他还说，现在的陶瓷膜反应器是在高温下（600～900℃）先合成一氧化碳和氢气，再合成甲醇等化工产品，将来如果可以在比较低的温度下（比如三四百摄氏度）进行，就可以一步直接合成甲醇了，能量和物质的损失将更少。
关键技术正在突破
据孟广耀介绍，现在中科大已经拥有十几项专利，涵盖了粉体材料、涂膜、连接材料、单电池、电池堆、热电联供装置各个环节。
他说，陶瓷膜燃料电池单电池的主要制造技术包括：选择适当的功能粉体材料制成管状支撑材料，热处理涂膜以及制作单电池。单电池尽管电流很大，但它的发电能力只有1伏特左右，实际应用时只有0.6～0.7伏特。将单电池连接起来，组成电池堆，才能提高发电能力。而组成电池堆*好的方法就是在单电池之间加入连接材料。
目前美国有6个工业化团队在进行该研究，做管状连接的还没有成功；有的公司用导线连接，电池组容量很难大幅度提高；西门子-西屋公司采用连接材料，从理论上说一个电池组的功率可以达到1千瓦，但他们采用大气等离子体喷吐的阴极支撑技术，费用十分昂贵。
孟广耀说，在连接材料方面，中科大已经取得实验室成果。他们利用阳极支撑的全陶瓷燃料电池共烧法制备技术，制造出了世界*低造价的管状陶瓷膜燃料电池。虽然研究成果还没有产业化，但已经走在了世界前列。陶瓷膜反应器合成化工基础材料其实就是燃料电池的逆过程，在这方面，中科大的研究更是走在了前头。
产业化还需国家支持
孟广耀介绍，美国能源部已经斥资5亿美元组建了固态能量转换联盟，大力发展以集成气化燃料电池为中心的煤基发电系统，力争2010年将固体氧化物燃料电池制造成本降到400美元/千瓦，2012～2015年建成1兆瓦级的概念示范项目，达到50～60%的能量转化效率和90%的二氧化碳捕集率。
孟广耀表示，在陶瓷膜燃料电池研发方面，我国已经探索了十多年，从单电池到电池堆的核心技术已经具备，陶瓷膜反应器更是独具匠心。但该领域的研究还未能引起国家有关部门的重视，国家对该领域的投入十分有限，成果产业化十分需要国家的支持。他希望有关部门能借鉴美国能源部固态能量转换联盟计划，尽快确立一个陶瓷膜燃料电池新能源的重大科技专项。
孟广耀还表示，要实现这一洁净高效的能源路线，煤气化产物的除尘和净化技术也很重要，应该尽快国产化。“十二五”期间，应组织多家单位进行联合技术攻关，否则将阻碍整个煤气化多联产、高效发电技术的发展。