如何开发经济合理的煤炭原料预处理系统以满足DCFC质量要求?

近日，国际能源署(IEA)发布的《21世纪的煤炭》报告中，总结了四种未来煤炭利用技术。其中有些技术代表了不同的煤炭发电平台，虽然还处于早期发展阶段，但这些技术可能代表着煤炭利用的重大进步。这四种未来煤炭利用技术包括先进碳燃料电池、化学链燃烧、闭式布雷顿循环和增压富氧燃烧。

作为未来几十年发展进程中的重点，燃料电池将有希望使燃煤电厂的热效率跨入新阶段。《报告》指出，先进碳燃料电池技术包括直接碳燃料电池和整体煤气化燃料电池。

直接碳燃料电池(DCFC)采用消耗粉煤的阳极系统。阴极系统消耗周围空气中的氧气。低电压电池(0.6~0.9伏直流电)堆栈获得高直流电压和电流，随后转变成标准交流电力。阳极废气富含二氧化碳，电池工作温度范围为650℃~1000℃。

DCFC的主要吸引力在于，只需花费与传统粉煤电厂相当的成本就可以建立一座全规模的一体化发电厂，并获得非常高的煤—电转换效率(有可能超过60%)。

目前，DCFC技术处于实验室规模发展阶段，电力输出不到1千瓦。基于这种技术的全规模发电厂需要放大约10万倍，并需要投入大量的时间和工作将这一技术实现实际使用。

虽然DCFC电化学概念已经得到证实，但仍然面临重大挑战，包括如何开发经济合理的煤炭原料预处理系统以满足DCFC质量要求。

同时，实现DCFC电池与电池堆5年寿命的目标，也需要付出巨大努力，以便能经济地处理在预处理过程中未从煤炭中去除的污染物，如硫、氮、卤素和灰成分等。

此外，还需要为DCFC电池进行经济、耐用和可维护的设计，包括为单个电池供应空气和煤炭，无泄漏与旁路等问题。

当前全球DCFC发电厂的关键发展途径是以煤炭作为燃料，可以制造和运行耐用的单个电池，并实现目标寿命。之后的挑战就是燃料电池发电厂开始运行时需解决的经济制造、耐久性机械电池堆装配，以及相关机械耐久性等问题。

整体煤气化燃料电池(IGFC)发电厂是一种燃煤发电先进概念，燃气轮机由燃料电池代替，将合成气直接转变为电能，同时产生多余热能。

目前全球范围内正在发展多种类型的燃料电池，但固体氧化物燃料电池(SOFC)可能是最佳应用选择，包括二氧化碳捕集——因为SOFC能将清洁的、未变换的合成气(一氧化碳和氢气)转变为二氧化碳和水，将水冷凝并采用精炼方式除去杂质后，可以进行二氧化碳压缩和封存。

不过，利用合成气工作的SOFC仍然是一项不成熟的技术。美国能源部的目标是到2015年能运行一个5兆瓦的发电系统。在此技术基础之上，要将一个成功的5兆瓦发电系统约放大100倍形成一个全规模的发电厂，但目前看来在2025年之前还不太可能实现。

与实现DCFC类似，如何用经济的方式除去煤基合成气中的可能污染物(包括硫、氮、卤素和灰成分)以满足SOFC的质量要求、实现电池与电池堆5年寿命的目标，将是一个主要任务。

同样与DCFC类似的是，SOFC实现还需要进行经济、耐用和可维护的设计。高纯度的硅占据了传统太阳能电池阵列总成本的40%，因此研究人员长久以来一直在寻找可最大化太阳能电池输出功率，同时降低硅用量的途径。现在，麻省理工学院(MIT)的研究团队找到了一种可降低硅厚度的新途径，可在保持电池高效的基础上，最高变薄90%，从而降低薄膜太阳能电池的制造成本。相关研究报告发表在近期出版的《纳米快报》杂志上。

该校机械工程系的研究人员称，这一途径的秘密在于蚀刻在硅表面的微型倒金字塔图案。他们使用了两束重叠的激光束，以便在沉积于硅之上的光刻胶的表面生成特别的微小刻痕。经过几个中间步骤后，氢氧化钾可溶解未被光刻胶覆盖的表面部分，从而在材料表面产生希望获得的金字塔图案。这些微小的刻痕，每个都不足百万分之一米，却能够像厚度为自身30倍的固体硅表面一样有效地捕获光线。这种可有效提升薄膜太阳能电池效能的新方法有望作用于任意的硅基电池。

科学家表示，如果能够大幅降低太阳能电池中硅的用量，就能显著降低电池的生产成本。但问题是，当电池被打造得很薄时，其吸收阳光的能力将随之降低。不过，新方法却能克服这一问题。被研究小组称为“倒转纳米金字塔”的表面刻痕，能大大增加光的吸收量，而表面面积只会增加70%，从而限制了表面复合现象的发生。表面复合是指半导体少数载流子在表面消失的现象。半导体表面具有很强的复合少数载流子的作用，同时也使得半导体表面对外界的因素很敏感，这也是造成半导体器件性能受到表面影响很大的根本原因。

基于新方法获得的10微米厚晶体硅能够达到和30倍厚的传统硅片近似的光吸收量。这不仅能够减少太阳能电池中昂贵的高纯度硅用量，还能减轻电池的重量，并因此节约所需的电池用料，有效降低薄膜太阳能电池的材料成本和安装成本。此外，新技术所使用的设备和材料也是现有硅芯片处理标准零件，因此无需更新制造设备，从而使制造的难度大幅降低，更加便于实施和操作。

迄今为止，研究团队只进行了制造新型太阳能电池的第一步，即基于硅片生产了具有图案的表面，并借助俘获的光线证实了它的效能提升，下一步则需要增加组件以生产真实的光伏电池，并证明它的能效可与传统太阳能电池相媲美。现今最佳的商用硅基太阳能电池的转化效率为24%，而科学家期望新途径能够实现约为20%的能量转换效率，但这仍需进一步的实验进行检验。如果一切顺利，新系统可在不远的未来实现商用化，制造出更经济的薄膜太阳能电池，而超薄的设计也将使其应用范围更加广泛。