煤基燃料電池來了！將煤炭轉(zhuǎn)化為電力且無直接碳排放

點(diǎn)“星標(biāo)”暫存文章，查找更方便！

環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

首圖來源：Shutterstock

撰文：Penn

編輯：小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的1974篇原創(chuàng)

一提到燃煤發(fā)電，映入腦海的便是煤炭在高溫烈焰中劇烈燃燒并釋放出驚人熱能的場景，人們往往將其與污染重、碳排放高、能效低聯(lián)系起來。

傳統(tǒng)的燃煤電廠受到卡諾效率極限的限制，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率較低，通常在40%左右，相應(yīng)的碳排放強(qiáng)度很高，可超過800克二氧化碳/千瓦時(shí)，這對實(shí)現(xiàn)煤炭深度脫碳構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

然而，一種全新的煤炭發(fā)電方式正在挑戰(zhàn)人們長期以來的這種認(rèn)知，它完全摒棄了燃燒過程，從而避免了長期以來煤炭使用過程中產(chǎn)生的巨量二氧化碳排放。

該系統(tǒng)不燃燒煤炭，而是將煤炭的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。這項(xiàng)突破來自深圳大學(xué)謝和平院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，他們開發(fā)了一種被稱為近零碳排放直接煤燃料電池（ZC-DCFC）的裝置。

這一概念有效地將煤炭重新定義為一種電化學(xué)能源，而不是一種燃燒的燃料，從而有可能為更清潔地利用化石資源開辟一條新途徑，為破解傳統(tǒng)燃煤發(fā)電高排放、低效率瓶頸提供了全新思路。

相關(guān)研究成果已于近日發(fā)表在國際期刊《能源評論》雜志上，論文指出，“在直接煤燃料電池中，通過避免與燃燒和熱力發(fā)動機(jī)相關(guān)的效率損失，可以實(shí)現(xiàn)更高的理論效率。”

圖說：邁向零碳排放直接煤燃料電池發(fā)電

來源：Energy Reviews

據(jù)《南華早報(bào)》報(bào)道，在該系統(tǒng)中，煤炭并非直接燃燒，而是在用于發(fā)電前經(jīng)過多道預(yù)處理工序。首先，煤炭被粉碎成細(xì)粉，然后進(jìn)行干燥、提純和表面處理，以優(yōu)化其反應(yīng)活性。處理后的煤炭隨后被送入燃料電池的陽極室，同時(shí)向陰極室供應(yīng)氧氣。

在電池內(nèi)部，煤顆粒通過氧化物膜直接氧化，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，從而當(dāng)場發(fā)電。至關(guān)重要的是，這種方法省去了傳統(tǒng)燃煤電廠通常所需的蒸汽生產(chǎn)和機(jī)械渦輪機(jī)等發(fā)電環(huán)節(jié)。

在陽極出口處，反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳被直接就地捕獲，然后通過催化作用轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)原料，例如合成氣，或者通過化學(xué)方法穩(wěn)定化為化合物，例如碳酸氫鈉。

在系統(tǒng)內(nèi)二氧化碳直接催化、轉(zhuǎn)化、礦化、電化等，實(shí)現(xiàn)近零碳排放發(fā)電利用并產(chǎn)生高價(jià)值產(chǎn)物，這種碳的閉環(huán)處理方式使得該工藝運(yùn)行安靜且清潔，實(shí)現(xiàn)了ZC-DCFC 系統(tǒng)內(nèi)部的二氧化碳消除。

圖說：近零碳排放直接煤燃料電池概念圖

來源：Energy Reviews

科研人員開發(fā)了多種技術(shù)，包括原位活化、三維陽極等，以提高DCFC的能量效率。此外，還開發(fā)了具有增強(qiáng)催化活性和熱機(jī)械穩(wěn)定性的先進(jìn)材料，以進(jìn)一步平衡近零碳排放直接煤燃料電池（ZC-DCFC ）的活性和耐久性之間的權(quán)衡。

相比之下，傳統(tǒng)的燃煤電廠依靠燃燒產(chǎn)生熱量，然后利用這些熱量產(chǎn)生蒸汽，蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)，并通過多級能量轉(zhuǎn)換鏈進(jìn)行發(fā)電。這種間接路徑從根本上受到熱力學(xué)限制，特別是與熱機(jī)相關(guān)的卡諾效率上限，它限制了燃料能量轉(zhuǎn)化為可用電能的比例。

謝和平教授指出，傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電過程受限于卡諾循環(huán)，其熱效率僅為40%左右。相比之下，他認(rèn)為零碳排放的直接煤燃料電池（ZC-DCFC）避免了燃燒和熱力發(fā)動機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的能量損失，因此理論效率顯著更高。

自2018年起，謝和平院士團(tuán)隊(duì)持續(xù)攻關(guān)，相繼在ZC-DCFC關(guān)鍵高性能材料開發(fā)、電池力學(xué)失效機(jī)制與防治、煤燃料活化處理、電極微結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面取得了一系列進(jìn)展。

目前，近零碳直流燃料電池（ZC-DCFC）主要由煤炭預(yù)處理段、高效直流燃料電池（DCFC）發(fā)電段以及具有適當(dāng)物料和能量流控制的原位二氧化碳轉(zhuǎn)化段組成。這些段協(xié)同作用，能夠?qū)⒚禾康幕瘜W(xué)能高效轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)近零碳排放；同時(shí)，二氧化碳可根據(jù)所采用的不同原位二氧化碳轉(zhuǎn)化技術(shù)轉(zhuǎn)化為多種產(chǎn)物。

圖說：近零碳排放直接煤燃料電池概念和架構(gòu)圖

來源：Energy Reviews

早期的直接碳燃料電池存在功率密度低、使用壽命短等問題，而最新的設(shè)計(jì)旨在通過堆疊形式實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性，并具有更高的碳到能源轉(zhuǎn)換效率，從而克服了這些挑戰(zhàn)。

目前，高功率輸出性能與二氧化碳轉(zhuǎn)化率之間的矛盾是近零碳直接燃料電池（ZC-DCFC）系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)。眾所周知，大多數(shù)二氧化碳轉(zhuǎn)化技術(shù)都需要消耗能量，例如二氧化碳的直接甲烷重整需要外部熱能，而二氧化碳的電解則需要直流燃料電池（DCFC）提供電力，這都會降低ZC-DCFC的發(fā)電效率。

此外，ZC-DCFC運(yùn)行過程中的二氧化碳轉(zhuǎn)化還需要進(jìn)行二氧化碳分離。這些過程也會增加能量損失、成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。在近零排放條件下，如果二氧化碳轉(zhuǎn)化過程沒有得到充分優(yōu)化，發(fā)電效率可能會顯著降低。

當(dāng)下，科研人員正在致力于通過設(shè)計(jì)一種集成二氧化碳循環(huán)路徑的新型系統(tǒng)配置，來克服與ZC-DCFC完全消除碳排放和長期穩(wěn)定性相關(guān)的關(guān)鍵瓶頸。

圖說：近零碳排放直接煤燃料電池實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

來源：Energy Reviews

眾所周知，全球范圍內(nèi)易于開采的淺層煤炭儲量正逐漸枯竭，迫使煤炭開采向更深的地質(zhì)構(gòu)造推進(jìn)，通常超過2000米，這給傳統(tǒng)的地面燃煤電廠帶來了技術(shù)難題，例如深層煤炭運(yùn)輸?shù)目尚行浴⒊杀竞投趸寂欧帕俊?/p>

此前，謝和平等人就提出了深層原位流化床開采的變革性概念，以應(yīng)對深層資源開發(fā)日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。作為流化床煤炭開采的一種極具前景的技術(shù)解決方案，ZC-DCFC提倡在深層地質(zhì)環(huán)境中直接進(jìn)行煤炭的原位轉(zhuǎn)化和高效利用，為煤電脫碳提供了新的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

參考材料：

[1]https://www.news.cn/20260416/386ba74eea11447a97f2b3c43365a6ba/c.html

[2]https://interestingengineering.com/energy/chinas-converts-coal-into-electricity

[3]https://www.scmp.com/news/china/science/article/3351241/china-unveils-worlds-first-coal-fuel-cell-can-produce-electricity-zero-emission

[4]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970226000040

[5]https://www.independent.co.uk/news/science/coal-battery-china-zero-emission-b2965535.html

熱門閱讀

（點(diǎn)擊圖片跳轉(zhuǎn)閱讀）