近日，國際能源署(IEA)發(fā)布的《21世紀(jì)的煤炭》報告中，總結(jié)了四種未來煤炭利用技術(shù)。其中有些技術(shù)代表了不同的煤炭發(fā)電平臺，雖然還處于早期發(fā)展階段，但這些技術(shù)可能代表著煤炭利用的重大進(jìn)步。這四種未來煤炭利用技術(shù)包括先進(jìn)碳燃料電池、化學(xué)鏈燃燒、閉式布雷頓循環(huán)和增壓富氧燃燒。

作為未來幾十年發(fā)展進(jìn)程中的重點，燃料電池將有希望使燃煤電廠的熱效率跨入新階段?！秷蟾妗分赋觯冗M(jìn)碳燃料電池技術(shù)包括直接碳燃料電池和整體煤氣化燃料電池。

直接碳燃料電池(DCFC)采用消耗粉煤的陽極系統(tǒng)。陰極系統(tǒng)消耗周圍空氣中的氧氣。低電壓電池(0.6~0.9伏直流電)堆棧獲得高直流電壓和電流，隨后轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)交流電力。陽極廢氣富含二氧化碳，電池工作溫度范圍為650℃~1000℃。

DCFC的主要吸引力在于，只需花費與傳統(tǒng)粉煤電廠相當(dāng)?shù)某杀揪涂梢越⒁蛔?guī)模的一體化發(fā)電廠，并獲得非常高的煤—電轉(zhuǎn)換效率(有可能超過60%)。

目前，DCFC技術(shù)處于實驗室規(guī)模發(fā)展階段，電力輸出不到1千瓦?；谶@種技術(shù)的全規(guī)模發(fā)電廠需要放大約10萬倍，并需要投入大量的時間和工作將這一技術(shù)實現(xiàn)實際使用。

雖然DCFC電化學(xué)概念已經(jīng)得到證實，但仍然面臨重大挑戰(zhàn)，包括如何開發(fā)經(jīng)濟(jì)合理的煤炭原料預(yù)處理系統(tǒng)以滿足DCFC質(zhì)量要求。

同時，實現(xiàn)DCFC電池與電池堆5年壽命的目標(biāo)，也需要付出巨大努力，以便能經(jīng)濟(jì)地處理在預(yù)處理過程中未從煤炭中去除的污染物，如硫、氮、鹵素和灰成分等。

此外，還需要為DCFC電池進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、耐用和可維護(hù)的設(shè)計，包括為單個電池供應(yīng)空氣和煤炭，無泄漏與旁路等問題。

當(dāng)前全球DCFC發(fā)電廠的關(guān)鍵發(fā)展途徑是以煤炭作為燃料，可以制造和運行耐用的單個電池，并實現(xiàn)目標(biāo)壽命。之后的挑戰(zhàn)就是燃料電池發(fā)電廠開始運行時需解決的經(jīng)濟(jì)制造、耐久性機械電池堆裝配，以及相關(guān)機械耐久性等問題。

整體煤氣化燃料電池(IGFC)發(fā)電廠是一種燃煤發(fā)電先進(jìn)概念，燃?xì)廨啓C由燃料電池代替，將合成氣直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，同時產(chǎn)生多余熱能。

目前全球范圍內(nèi)正在發(fā)展多種類型的燃料電池，但固體氧化物燃料電池(SOFC)可能是最佳應(yīng)用選擇，包括二氧化碳捕集——因為SOFC能將清潔的、未變換的合成氣(一氧化碳和氫氣)轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸己退?，將水冷凝并采用精煉方式除去雜質(zhì)后，可以進(jìn)行二氧化碳壓縮和封存。

不過，利用合成氣工作的SOFC仍然是一項不成熟的技術(shù)。美國能源部的目標(biāo)是到2015年能運行一個5兆瓦的發(fā)電系統(tǒng)。在此技術(shù)基礎(chǔ)之上，要將一個成功的5兆瓦發(fā)電系統(tǒng)約放大100倍形成一個全規(guī)模的發(fā)電廠，但目前看來在2025年之前還不太可能實現(xiàn)。

與實現(xiàn)DCFC類似，如何用經(jīng)濟(jì)的方式除去煤基合成氣中的可能污染物(包括硫、氮、鹵素和灰成分)以滿足SOFC的質(zhì)量要求、實現(xiàn)電池與電池堆5年壽命的目標(biāo)，將是一個主要任務(wù)。

同樣與DCFC類似的是，SOFC實現(xiàn)還需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、耐用和可維護(hù)的設(shè)計。高純度的硅占據(jù)了傳統(tǒng)太陽能電池陣列總成本的40%，因此研究人員長久以來一直在尋找可最大化太陽能電池輸出功率，同時降低硅用量的途徑?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究團(tuán)隊找到了一種可降低硅厚度的新途徑，可在保持電池高效的基礎(chǔ)上，最高變薄90%，從而降低薄膜太陽能電池的制造成本。相關(guān)研究報告發(fā)表在近期出版的《納米快報》雜志上。

該校機械工程系的研究人員稱，這一途徑的秘密在于蝕刻在硅表面的微型倒金字塔圖案。他們使用了兩束重疊的激光束，以便在沉積于硅之上的光刻膠的表面生成特別的微小刻痕。經(jīng)過幾個中間步驟后，氫氧化鉀可溶解未被光刻膠覆蓋的表面部分，從而在材料表面產(chǎn)生希望獲得的金字塔圖案。這些微小的刻痕，每個都不足百萬分之一米，卻能夠像厚度為自身30倍的固體硅表面一樣有效地捕獲光線。這種可有效提升薄膜太陽能電池效能的新方法有望作用于任意的硅基電池。

科學(xué)家表示，如果能夠大幅降低太陽能電池中硅的用量，就能顯著降低電池的生產(chǎn)成本。但問題是，當(dāng)電池被打造得很薄時，其吸收陽光的能力將隨之降低。不過，新方法卻能克服這一問題。被研究小組稱為“倒轉(zhuǎn)納米金字塔”的表面刻痕，能大大增加光的吸收量，而表面面積只會增加70%，從而限制了表面復(fù)合現(xiàn)象的發(fā)生。表面復(fù)合是指半導(dǎo)體少數(shù)載流子在表面消失的現(xiàn)象。半導(dǎo)體表面具有很強的復(fù)合少數(shù)載流子的作用，同時也使得半導(dǎo)體表面對外界的因素很敏感，這也是造成半導(dǎo)體器件性能受到表面影響很大的根本原因。

基于新方法獲得的10微米厚晶體硅能夠達(dá)到和30倍厚的傳統(tǒng)硅片近似的光吸收量。這不僅能夠減少太陽能電池中昂貴的高純度硅用量，還能減輕電池的重量，并因此節(jié)約所需的電池用料，有效降低薄膜太陽能電池的材料成本和安裝成本。此外，新技術(shù)所使用的設(shè)備和材料也是現(xiàn)有硅芯片處理標(biāo)準(zhǔn)零件，因此無需更新制造設(shè)備，從而使制造的難度大幅降低，更加便于實施和操作。

迄今為止，研究團(tuán)隊只進(jìn)行了制造新型太陽能電池的第一步，即基于硅片生產(chǎn)了具有圖案的表面，并借助俘獲的光線證實了它的效能提升，下一步則需要增加組件以生產(chǎn)真實的光伏電池，并證明它的能效可與傳統(tǒng)太陽能電池相媲美?，F(xiàn)今最佳的商用硅基太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率為24%，而科學(xué)家期望新途徑能夠?qū)崿F(xiàn)約為20%的能量轉(zhuǎn)換效率，但這仍需進(jìn)一步的實驗進(jìn)行檢驗。如果一切順利，新系統(tǒng)可在不遠(yuǎn)的未來實現(xiàn)商用化，制造出更經(jīng)濟(jì)的薄膜太陽能電池，而超薄的設(shè)計也將使其應(yīng)用范圍更加廣泛。