在阿拉巴马州巴克斯，2.7千兆瓦的詹姆斯•M•巴里发电厂内正在进行一项试验，未来可能会敞开一个简直零排放的化石燃料发电新时代。本年，技能人员和工程师开端着手在主电厂邻近装置一对四方形的白色集装箱。这些集装箱中装有一种新式燃料电池，不仅能发作电力，还能捕获和搜集主电厂（焚烧煤炭和天然气）90%的二氧化碳排放量。假如可以大规划施行，其碳捕集水平将使巴里工厂的排放情况挨近地热发电厂，而且不会呈现风能和太阳能的间歇发电。
这项技能来自坐落康涅狄格州丹伯里的燃料电池动力公司（FuelCell Energy），该公司与石油天然气巨子埃克森美孚公司和南边公司协作，南边公司的子公司是巴里工厂的全部者和运营方。该项目旨在展现愈加新式、有用的碳捕集办法，让世界上大多数严峻依托化石燃料发电的国家完结削减温室气体排放的方针。它也是燃料电池的一个著作展现，通过了180年的研制和无数次的失利，燃料电池现已奋力到达了商业安排妥当状况。
1839年，英国律师兼业余科学家威廉•罗伯特•格鲁夫（William Robert Grove）证明，铂箔可以催化氢和氧之间的反响，发作电能和少数水。从那以后，氢燃料电池作为清洁、高效动力的潜力招引了大批研讨人员、实业家和环保人士。
然而要完善这项技能好不简略。贵重的资料、耐用性以及怎么保证氢的安稳供给等问题打乱了许多燃料电池项目，一起完结商业运用的进程也很缓慢。美国轿车工业在21世纪初企图将燃料电池定位为电动轿车的终极动力来历，但事实证明这项技能还远远没有准备好。尽管如此，许多轿车制造商仍在研讨燃料电池，这给氢经济的倡导者带来了期望。
在阿拉巴马州南部，燃料电池技能一向引人重视。与用纯氢作为燃料的轿车电池不同，燃料电池动力公司的熔融碳酸盐燃料电池运用的是天然气或沼气中的氢。这类电池的体积更大，需求固定场所，作业温度高达650摄氏度左右。高温使它们不易遭到一氧化碳（通过加工含碳燃料发作）等有毒物质的影响。碳燃料焚烧时发作的一氧化碳会损坏低温燃料电池的内部结构。
在熔融碳酸盐燃料电池中，碳是反响式的一部分。在阴极（也称为空气极），二氧化碳和氧气被送入电池内发作反响，构成带电的碳酸离子，悬浮在熔融盐电解质中。这些离子通过电解质迁移到阳极（也称燃料电极），在那里与天然气或沼气等碳氢化合物燃猜中的氢发作反响，生成水、二氧化碳和电子。然后，这些电子会在回来阴极前进入外部电路做有用功，而反响中发作的二氧化碳则会循环回到阴极。
这种电源技能还有另一个用处。“当熔融碳酸盐燃料电池发作电能时，体系以电化学办法汲取二氧化碳。”燃料电池动力公司高档运用和技能开发部的副总裁托尼•利奥（Tony Leo）解说说，“咱们一开端并没有过多考虑这个问题，直到了解到人们对捕获二氧化碳充溢爱好。”在气候变化的大布景下，燃料电池动力公司的工程师们意识到，燃料电池的抽吸功用可以用于捕获和搜集阳极的二氧化碳。为了弥补燃料电池继续作业所需的二氧化碳，他们可以运用污染气体，也就是工业废气。
在巴里工厂，燃料电池将运用热电厂的废气作为碳源。钢铁厂或水泥厂的废气也可以运用，在世界范围内，这些废气中的二氧化碳排放量别离都到达约5%。会集的二氧化碳可以储存在地下深处，也可以作为工业原料。与需求耗费电力的传统氨基碳捕获法不同，燃料电池将可以自己发作电力来驱动这个进程。
利奥说，多年来，人们一向在研制最新式的熔融碳酸盐燃料电池。20世纪50年代初次研讨这项技能的研讨人员对其显着的灵活性形象深入。该体系作业温度高意味着催化剂可以选用廉价的镍而不是贵重的铂；别的，简直全部的碳氢化合物都可以作为燃料来历，至少在原则上是这样；更重要的是发作的热量也可以被捕获并运用。在20世纪60年代，美国陆军想象在其全部的戎行驻守区运用熔融碳酸盐燃料电池，便利战士运用全部可用的燃料。天然气公司期望将这项技能整合到他们的管道网络中，构成可以与电力公司一较高下的分布式发电体系。可是限于碳酸盐的腐蚀性，大多数赞助商在前期就放置了这项技能。
20世纪70年代迸发的动力危机和环境运动从头点燃了人们对包含碳酸盐燃料电池在内的各种清洁动力的爱好。正是在这次发酵中，燃料电池动力公司，也就是尔后的动力研讨集团成立了。利奥说：“咱们以为最有含义的是发电体系可以依托管道的天然气作业，碳酸盐这样的高温燃料电池就能完结这一点。”
先进动力面对的杰出问题之一是新产品一般需求几十年才干进入市场。不止一位观察家指出，电池范畴不存在摩尔定律，因而政府的继续支撑至关重要。在美国动力部的帮忙下，燃料电池动力公司得以专心从事一些费力不讨好的使命，比方改善熔融碳酸盐燃料电池的功率、本钱和耐用性。通过多年的研讨开发，1996到1997年，燃料电池动力公司在加州圣克拉拉市作业了一个2兆瓦的演示电厂；2003年，推出了第一个商用设备。到现在为止，燃料电池动力公司现已在全球50个区域树立了几百兆瓦容量的发电设备，其间最著名的是坐落韩国的59兆瓦热电厂。现在燃料电池动力公司已成为熔融碳酸盐技能的首要供给商。
美国政府不仅在燃料电池动力公司的起步阶段进行了大力培养，在其进入碳捕集范畴的进程中也发挥了关键作用。美国动力部长时刻支撑“清洁煤”研讨，为此到20世纪90年代末，一向在推进碳捕集和组合循环。利奥说，跟着21世纪初的动力方针越来越着重可继续性，燃料电池动力公司开端考虑运用其燃料电池作为碳过滤器。
“咱们其时完全是在坐而论道，然后咱们俄然意识到，从概念上讲它是有含义的。”他回想道。
在美国环境保护署的帮忙下，燃料电池动力公司模拟了燃料电池怎么处置煤炭废气并进行了剖析。熔融碳酸盐燃料电池无法耐受煤中的一些污染物，比方硫，所以工程师们寻觅从废气中提取有害物质的办法。在这进程中他们偶尔发现：反响进程消除了废气中70%的氮氧化物，然后削减了传统的空气污染物。
但燃料电池范畴的战役不都是那么简略制胜的。2015年9月，燃料电池动力公司宣告与美国动力部分摊出资一个2370万美元的项目，证明其技能可以从小股煤炭废气中捕获90%的二氧化碳，并将其浓缩至95%的纯度。在项目的第一阶段，一个通过改善的商用2.8兆瓦SureSource 3000燃料电池体系，每天将捕获巴里电厂排出的54吨二氧化碳。
这仅仅该电厂二氧化碳排放量的极小一部分。客观来看，一个典型的500兆瓦煤电厂每年约排放330万吨二氧化碳，相当于每天约9000吨二氧化碳，捕集这些排放量的90%需求大约400兆瓦的燃料电池容量。
这需求一大批燃料电池。就本钱出资而言，燃料电池的发电本钱是传统燃煤发电的3～4倍。凭借碳酸盐燃料电池，热电联产可以使主电厂的发电量添加80%。支撑者指出，假如将全生命周期本钱考虑在内，再加上难以量化的环境效益，平衡开端倾向于这种组合循环。
不过现在，巴里项目的协作者要树立这样的体系仍有很长的路要走。首要，假如要结合碳捕集燃料电池与燃煤电厂，需求处理燃料电池的燃料问题，一般的煤不合适，有必要先进行气化，这样就添加了复杂性和本钱。
因而，对立的是，燃料电池动力公司的煤炭排放试验需求运用天然气作为燃料，这也是挑选巴里电厂为试验主场的原因之一。该电厂是一个煤/天然气混合电厂，自身就是美国动力趋势的风向标。该电厂建于1954年，其时为全煤机组，1971年，在正本2个发电机组的基础上又添加了3个燃煤机组；2000年，美国南边电力公司装置了5个燃气机组，后几年逐渐开端筛选煤炭，2015年封闭了1个燃煤机组，并将别的2个燃煤机组转化为燃气机组。
挑选巴里电厂的另一个原因在于，它从前主办过一次碳捕集与封存演示活动。美国南边电力公司与美国动力部协作,运用三菱重工的有机胺法，以化学办法固定燃煤废气中的碳，然后用管道输送到19公里外的油田存储起来。该项目从2012年8月作业至2014年9月，截存了约10.4万吨二氧化碳。（美国南边电力公司运营的另一家坐落密西西比州肯珀尔市的煤电厂，正本要展现一种不同的碳捕集办法，但上一年该公司宣告该厂改用天然气,不再捕集任何排放物。）
在项目的第二阶段，燃料电池动力公司要将其技能运用于天然气废气脱碳。那将需求一个略微不同的进程，动力巨子埃克森美孚公司会参加进来，帮忙处理这个问题。埃克森美孚公司的高档科学参谋蒂姆•巴克霍尔茨（Tim Barckholtz）表明，公司第一次传闻燃料电池动力公司在碳捕集方面的开创性作业时就提出了协作，2014年协作正式开端。
巴克霍尔茨称，从理论上讲，从天然气废气中捕集碳要比从燃煤废气中简略得多。“燃气轮机每度电的二氧化碳排放量是燃煤电厂的一半，因而要做的作业也只要一半。”
事实上，不论将燃料电池与什么类型的发电厂结合都会带来惊喜。“独立形式下的碳酸盐燃料电池要在抱负条件下作业。”巴克霍尔茨解说说，“可是，当你把它和大型发电厂结合时，就有点四两拨千斤的作用了。”选用此类组合循环作业电厂有必要坚持“奇妙的平衡”，不然电厂就会跳闸。接下来几个月的时刻，埃克森美孚公司的科学家和工程师们将尽力处理这些问题。
与此一起，燃料电池动力公司的利奥表明，他们公司专心于完结试验中的煤炭废气部分。在2019年头准备安排妥当后，燃料电池体系将先作业大约6个月，然后改用天然气废气。咱们的前车之鉴是，开展是渐进式的，不要盼望获得腾跃性的打破。
一向以来，电力行业将商业行为导致的气候变化和温室气体排放视为祸不单行，而这个正在进行的项目则证明，这一观念正在发作改动。这种改变推进了工业研讨前沿的跨学科协作。
具有无机化学博士学位的巴克霍尔茨供认：“我参加这个项目的时分，前6个月不得不从头自学很多的电化学常识。”燃料电池动力公司和埃克森美孚公司都是各自范畴的俊彦，日常运作规划也截然不同。“两者结合在一起，的确带来了改善和优化咱们体系的风趣主意。”
像燃料电池动力公司这样的企业，历经几十年韶光，期望可以应战“不惜全部代价打造廉价动力”的范式。关于它们来说，这就是前进。
作者：Matthew N. Eisler
