同樣是利用碳燃料，相比火力發(fā)電，“直接燃料電池”更清潔、高效，只是因?yàn)闇囟冗^高，它很難用在汽車上。

燃燒使碳迅速氧化成二氧化碳、利用放出的熱量加熱水、用高壓水蒸氣推動(dòng)葉片繼而讓線圈切割磁力線，最終發(fā)出電來—這是在那些冒著滾滾濃煙的火力發(fā)電廠里，每天都在發(fā)生的事，人們已經(jīng)對它習(xí)以為常。但通過被叫做“直接碳燃料電池”的技術(shù)，碳可以直接在變成二氧化碳的過程中發(fā)電，省去了更多麻煩，更高效，而且對環(huán)境更友好。

直接碳燃料電池是“氫燃料電池”的近親，后者是汽車公司的寵兒。使用碳陽極和高溫電解質(zhì)的這種小型發(fā)電裝置，能夠以極高的效率完成化學(xué)能和電能的轉(zhuǎn)換，而產(chǎn)生的副產(chǎn)品，大多只是相當(dāng)純凈的二氧化碳。雖然早在19世紀(jì)中葉人們就開始嘗試制造這種燃料電池，但是直到今天，我們才看見一些商業(yè)化的前景。

1838年，德國化學(xué)家Christian Friedrich Sch?nbein發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將白金電極放在酸性溶液中并且通入氫氣和氧氣的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生電流。僅僅在第二年，其他科學(xué)家重復(fù)了他的發(fā)現(xiàn)，并且制造出了最原始的燃料電池：分別在灌滿氫氣和氧氣的不同試管內(nèi)插入白金電極，并且浸泡在酸性溶液中。在白金的催化下，這些氣體分解成離子，而放出和吸收電子的需求，在電路里形成了電流。直到今天，使用氫氣和氧氣的燃料電池，原理也沒有太大的變化。

在地球上，氫并不算是容易獲得的資源。而碳則不然。幾乎在任何地方我們都能找到碳，煤、石油、煙囪里的黑灰乃至農(nóng)業(yè)垃圾和塑料垃圾都有大量的碳元素。將碳變成燃料電池的直接原料，將會(huì)讓我們更方便地獲得電力。

直接碳燃料電池的迅速發(fā)展是在1970年代以后。人們開始嘗試使用熔融的碳酸鹽或者強(qiáng)堿做為電解質(zhì)，用顆粒狀、多孔的碳材料做為陽極，使用鐵鎳這類金屬的氧化物作為陰極制造燃料電池。在這樣的電池中，碳和水在內(nèi)部重整成一氧化碳和氫，再與氧氣反應(yīng)成為二氧化碳和水。輸出的只有電力和二氧化碳，而這樣高純度的二氧化碳，完全不需要凈化的過程，就可以用于工業(yè)生產(chǎn)，或者直接固化回收就好。在探索燃料電池的過程中，人們同時(shí)也在尋找更合適的發(fā)電燃料。

在英國，每年有超過10萬噸的中密度纖維板（MDF）被家具工業(yè)所丟棄，不過，這些被遺棄的纖維板現(xiàn)在有了新用場。英國圣安德魯斯大學(xué)的約翰·歐文及其團(tuán)隊(duì)表示，中密度纖維板可以在最小限度改裝下為直接碳燃料電池提供電能。

歐文及其研究團(tuán)隊(duì)首先在500℃的高溫氮?dú)猸h(huán)境下對中密度纖維板碎條進(jìn)行了處理，以去除水蒸氣和其他揮發(fā)性氣體。歐文表示，這一耗費(fèi)低廉的過程可使中密度纖維板更加緊實(shí)、輕便、易于被送至所需的地方。隨后，研究人員把處理過的纖維板烘干制成粉末，與鋰和碳酸鉀混合，作為燃料電池的電解質(zhì)。在溫度處于500℃至800℃之間時(shí)，這些混合物將促使中密度纖維板內(nèi)的碳和注入電池內(nèi)的氧氣相結(jié)合，產(chǎn)生二氧化碳并使電子電離化,生成所需的電流。

制成的電池可在電流密度為每平方厘米200毫安的情況下提供每平方厘米100毫瓦的電能，這意味著一枚邊長為10厘米的正方形電池可在電流為20安培的情況下產(chǎn)生2伏特的電壓。這與其他類型的直接碳燃料電池相似，可應(yīng)用于大規(guī)模的發(fā)電廠中。

目前來看，直接碳燃料電池的使用也還會(huì)受到一些限制。它也許并不適合電動(dòng)汽車—直接碳燃料電池的工作溫度較高，使用熔融氫氧化物的電池工作溫度在400℃到750℃左右，熔融碳酸鹽電池的工作溫度在650℃到800℃。這讓它更適合成為發(fā)電廠的附加清潔模塊，或者為小型獨(dú)立的區(qū)域供電。

而在這種燃料電池中，對材料的預(yù)處理也是個(gè)重要問題。雖然石墨是高純度的碳，但是它的片狀結(jié)構(gòu)并不符合需要，而且價(jià)格也太高。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，陽極材料的活性取決于結(jié)晶混亂度和比表面積，大體來說，結(jié)構(gòu)越不規(guī)則、比表面積越大，活性就會(huì)越高。碳纖維材料和使用核桃殼之類生物質(zhì)燒制的活性炭都有不錯(cuò)的表現(xiàn)，而把煤用焦油粘接后高溫碳化形成的結(jié)構(gòu)，也能夠滿足需要。如果碳電極里有過多的雜質(zhì)，將會(huì)讓燃料電池很快失活，因此如何盡可能多地去除雜質(zhì)，也是預(yù)處理中的一個(gè)重要課題。

雖然有這樣苛刻的限制，但是直接碳燃料電池的巨大優(yōu)點(diǎn)依然讓人們難以割舍。它環(huán)保、高效，而且原材料豐富—布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算指出，基于直接碳燃料電池的熱電循環(huán)系統(tǒng)，熱效率能達(dá)到90%之高；而與傳統(tǒng)火力發(fā)電廠和制氫廠相比，二氧化碳排放量可以減少77%，成本也會(huì)有相當(dāng)程度的降低。也許直接碳燃料電池，能夠幫助我們在今天這個(gè)化石燃料越來越缺乏和對環(huán)境保護(hù)的要求越來越嚴(yán)格的時(shí)代里，找到更多的能源。最近美國雜志將之評為2010年最有前途的技術(shù)之一，足以表現(xiàn)出人們對它美好前景的信心。

今年，加利福尼亞州自然資源研究所下屬的直接碳技術(shù)公司計(jì)劃建造10千瓦直接碳燃料電池原型，以生物質(zhì)垃圾做為原料；俄亥俄州的Contained Energy公司則已經(jīng)申請了一些排他性專利，試圖在這種新型發(fā)電裝置的市場上搶得先機(jī)。這種新的小型清潔發(fā)電方式，也許會(huì)改變?nèi)藗儗τ趥鹘y(tǒng)發(fā)電設(shè)備的印象，也可能會(huì)成為那些缺乏電力的城鎮(zhèn)的新居民。