行业知识
碳粉发电
2019/10/16 14:34:47
3861
同样是利用碳燃料，相比火力发电，“直接燃料电池”更清洁、高效，只是因为温度过高，它很难用在汽车上。
燃烧使碳迅速氧化成二氧化碳、利用放出的热量加热水、用高压水蒸气推动叶片继而让线圈切割磁力线，最终发出电来—这是在那些冒着滚滚浓烟的火力发电厂里，每天都在发生的事，人们已经对它习以为常。但通过被叫做“直接碳燃料电池”的技术，碳可以直接在变成二氧化碳的过程中发电，省去了更多麻烦，更高效，而且对环境更友好。
直接碳燃料电池是“氢燃料电池”的近亲，后者是汽车公司的宠儿。使用碳阳极和高温电解质的这种小型发电装置，能够以极高的效率完成化学能和电能的转换，而产生的副产品，大多只是相当纯净的二氧化碳。虽然早在19世纪中叶人们就开始尝试制造这种燃料电池，但是直到今天，我们才看见一些商业化的前景。
1838年，德国化学家Christian Friedrich Sch?nbein发现，当将白金电极放在酸性溶液中并且通入氢气和氧气的时候，就会产生电流。仅仅在第二年，其他科学家重复了他的发现，并且制造出了最原始的燃料电池：分别在灌满氢气和氧气的不同试管内插入白金电极，并且浸泡在酸性溶液中。在白金的催化下，这些气体分解成离子，而放出和吸收电子的需求，在电路里形成了电流。直到今天，使用氢气和氧气的燃料电池，原理也没有太大的变化。
在地球上，氢并不算是容易获得的资源。而碳则不然。几乎在任何地方我们都能找到碳，煤、石油、烟囱里的黑灰乃至农业垃圾和塑料垃圾都有大量的碳元素。将碳变成燃料电池的直接原料，将会让我们更方便地获得电力。
直接碳燃料电池的迅速发展是在1970年代以后。人们开始尝试使用熔融的碳酸盐或者强碱做为电解质，用颗粒状、多孔的碳材料做为阳极，使用铁镍这类金属的氧化物作为阴极制造燃料电池。在这样的电池中，碳和水在内部重整成一氧化碳和氢，再与氧气反应成为二氧化碳和水。输出的只有电力和二氧化碳，而这样高纯度的二氧化碳，完全不需要净化的过程，就可以用于工业生产，或者直接固化回收就好。在探索燃料电池的过程中，人们同时也在寻找更合适的发电燃料。
在英国，每年有超过10万吨的中密度纤维板（MDF）被家具工业所丢弃，不过，这些被遗弃的纤维板现在有了新用场。英国圣安德鲁斯大学的约翰·欧文及其团队表示，中密度纤维板可以在最小限度改装下为直接碳燃料电池提供电能。
欧文及其研究团队首先在500℃的高温氮气环境下对中密度纤维板碎条进行了处理，以去除水蒸气和其他挥发性气体。欧文表示，这一耗费低廉的过程可使中密度纤维板更加紧实、轻便、易于被送至所需的地方。随后，研究人员把处理过的纤维板烘干制成粉末，与锂和碳酸钾混合，作为燃料电池的电解质。在温度处于500℃至800℃之间时，这些混合物将促使中密度纤维板内的碳和注入电池内的氧气相结合，产生二氧化碳并使电子电离化,生成所需的电流。
制成的电池可在电流密度为每平方厘米200毫安的情况下提供每平方厘米100毫瓦的电能，这意味着一枚边长为10厘米的正方形电池可在电流为20安培的情况下产生2伏特的电压。这与其他类型的直接碳燃料电池相似，可应用于大规模的发电厂中。
看起来不错，但是在目前来看，直接碳燃料电池的使用也还会受到一些限制。它也许并不适合电动汽车—直接碳燃料电池的工作温度较高，使用熔融氢氧化物的电池工作温度在400℃到750℃左右，熔融碳酸盐电池的工作温度在650℃到800℃。这让它更适合成为发电厂的附加清洁模块，或者为小型独立的区域供电。
而在这种燃料电池中，对材料的预处理也是个重要问题。虽然石墨是高纯度的碳，但是它的片状结构并不符合需要，而且价格也太高。人们已经发现，阳极材料的活性取决于结晶混乱度和比表面积，大体来说，结构越不规则、比表面积越大，活性就会越高。碳纤维材料和使用核桃壳之类生物质烧制的活性炭都有不错的表现，而把煤用焦油粘接后高温碳化形成的结构，也能够满足需要。如果碳电极里有过多的杂质，将会让燃料电池很快失活，因此如何尽可能多地去除杂质，也是预处理中的一个重要课题。
虽然有这样苛刻的限制，但是直接碳燃料电池的巨大优点依然让人们难以割舍。它环保、高效，而且原材料丰富—布鲁克海文国家实验室的计算指出，基于直接碳燃料电池的热电循环系统，热效率能达到90%之高；而与传统火力发电厂和制氢厂相比，二氧化碳排放量可以减少77%，成本也会有相当程度的降低。也许直接碳燃料电池，能够帮助我们在今天这个化石燃料越来越缺乏和对环境保护的要求越来越严格的时代里，找到更多的能源。最近美国《大众机械》杂志将之评为2010年最有前途的技术之一，足以表现出人们对它美好前景的信心。
今年，加利福尼亚州自然资源研究所下属的直接碳技术公司计划建造10千瓦直接碳燃料电池原型，以生物质垃圾做为原料；俄亥俄州的Contained Energy公司则已经申请了一些排他性专利，试图在这种新型发电装置的市场上抢得先机。这种新的小型清洁发电方式，也许会改变人们对于传统发电设备的印象，也可能会成为那些缺乏电力的城镇的新居民。
