在上周舉辦的2009中國(guó)化石能源清潔利用技術(shù)論壇上，一項(xiàng)奇妙的技術(shù)引發(fā)了與會(huì)者的極大興趣：煤氣化得到的一氧化碳和氫氣進(jìn)入陶瓷膜燃料電池，可以高效發(fā)電；煤化工生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳與水一同穿過(guò)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(jìn)一步加壓并加入催化劑，還能合成甲醇或合成氨。
這就是國(guó)際上稱(chēng)作新能源路線關(guān)鍵技術(shù)中的未來(lái)技術(shù)——陶瓷膜燃料電池以及陶瓷膜反應(yīng)器。它可使能量轉(zhuǎn)化效率更高、更潔凈，也更容易實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排與利用。
目前陶瓷膜燃料電池在國(guó)際上的研究剛剛起步，中國(guó)科技大學(xué)在國(guó)內(nèi)率先提出了陶瓷膜反應(yīng)器的構(gòu)思。中國(guó)科技大學(xué)固體化學(xué)與無(wú)機(jī)膜研究所所長(zhǎng)孟廣耀表示，碳?xì)浠衔锶剂习ɑY源和生物質(zhì)資源，經(jīng)氣化、純化后，通過(guò)高溫陶瓷膜燃料電池發(fā)電；二氧化碳經(jīng)陶瓷膜反應(yīng)器可以轉(zhuǎn)化為氨和甲醇這樣的能量載體，是一條科學(xué)的新能源發(fā)展路線，在解決能源和環(huán)境問(wèn)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(dú)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(jìn)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(guò)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(huì)降到32%～34%。二是便于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳直接利用，即通過(guò)陶瓷膜反應(yīng)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。這樣不僅能最大限度地減排，還讓本來(lái)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(guò)離子和電子轉(zhuǎn)移作用可以讓燃料電池發(fā)電，人們對(duì)此不難理解。可陶瓷膜反應(yīng)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(shuō)，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(xiàng)任務(wù)的介質(zhì)就是氧離子導(dǎo)體——陶瓷膜。陶瓷膜具有氧離子導(dǎo)電性，氧離子可以穿過(guò)陶瓷膜，其他物質(zhì)則留在了另一側(cè)。
他還說(shuō)，現(xiàn)在的陶瓷膜反應(yīng)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(lái)如果可以在比較低的溫度下（比如三四百攝氏度）進(jìn)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(xiàng)專(zhuān)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(gè)環(huán)節(jié)。
他說(shuō)，陶瓷膜燃料電池單電池的主要制造技術(shù)包括：選擇適當(dāng)?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(shí)際應(yīng)用時(shí)只有0.6～0.7伏特。將單電池連接起來(lái)，組成電池堆，才能提高發(fā)電能力。而組成電池堆最好的方法就是在單電池之間加入連接材料。
目前美國(guó)有6個(gè)工業(yè)化團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行該研究，做管狀連接的還沒(méi)有成功；有的公司用導(dǎo)線連接，電池組容量很難大幅度提高；西門(mén)子-西屋公司采用連接材料，從理論上說(shuō)一個(gè)電池組的功率可以達(dá)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(fèi)用十分昂貴。
孟廣耀說(shuō)，在連接材料方面，中科大已經(jīng)取得實(shí)驗(yàn)室成果。他們利用陽(yáng)極支撐的全陶瓷燃料電池共燒法制備技術(shù)，制造出了世界最低造價(jià)的管狀陶瓷膜燃料電池。雖然研究成果還沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化，但已經(jīng)走在了世界前列。陶瓷膜反應(yīng)器合成化工基礎(chǔ)材料其實(shí)就是燃料電池的逆過(guò)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(guó)家支持
孟廣耀介紹，美國(guó)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(zhēng)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(jí)的概念示范項(xiàng)目，達(dá)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(guó)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(yīng)器更是獨(dú)具匠心。但該領(lǐng)域的研究還未能引起國(guó)家有關(guān)部門(mén)的重視，國(guó)家對(duì)該領(lǐng)域的投入十分有限，成果產(chǎn)業(yè)化十分需要國(guó)家的支持。他希望有關(guān)部門(mén)能借鑒美國(guó)能源部固態(tài)能量轉(zhuǎn)換聯(lián)盟計(jì)劃，盡快確立一個(gè)陶瓷膜燃料電池新能源的重大科技專(zhuān)項(xiàng)。
孟廣耀還表示，要實(shí)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(yīng)該盡快國(guó)產(chǎn)化。“十二五”期間，應(yīng)組織多家單位進(jìn)行聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，否則將阻礙整個(gè)煤氣化多聯(lián)產(chǎn)、高效發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。
