煤基燃料电池来了！将煤炭转化为电力且无直接碳排放

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环球零碳

碳中和领域的《新青年》

首图来源：Shutterstock

撰文：Penn

编辑：小澜

→这是《环球零碳》的1974篇原创

一提到燃煤发电，映入脑海的便是煤炭在高温烈焰中剧烈燃烧并释放出惊人热能的场景，人们往往将其与污染重、碳排放高、能效低联系起来。

传统的燃煤电厂受到卡诺效率极限的限制，导致能量转换效率较低，通常在40%左右，相应的碳排放强度很高，可超过800克二氧化碳/千瓦时，这对实现煤炭深度脱碳构成了严峻挑战。

然而，一种全新的煤炭发电方式正在挑战人们长期以来的这种认知，它完全摒弃了燃烧过程，从而避免了长期以来煤炭使用过程中产生的巨量二氧化碳排放。

该系统不燃烧煤炭，而是将煤炭的化学能直接转化为电能。这项突破来自深圳大学谢和平院士领导的研究团队，他们开发了一种被称为近零碳排放直接煤燃料电池（ZC-DCFC）的装置。

这一概念有效地将煤炭重新定义为一种电化学能源，而不是一种燃烧的燃料，从而有可能为更清洁地利用化石资源开辟一条新途径，为破解传统燃煤发电高排放、低效率瓶颈提供了全新思路。

相关研究成果已于近日发表在国际期刊《能源评论》杂志上，论文指出，“在直接煤燃料电池中，通过避免与燃烧和热力发动机相关的效率损失，可以实现更高的理论效率。”

图说：迈向零碳排放直接煤燃料电池发电

来源：Energy Reviews

据《南华早报》报道，在该系统中，煤炭并非直接燃烧，而是在用于发电前经过多道预处理工序。首先，煤炭被粉碎成细粉，然后进行干燥、提纯和表面处理，以优化其反应活性。处理后的煤炭随后被送入燃料电池的阳极室，同时向阴极室供应氧气。

在电池内部，煤颗粒通过氧化物膜直接氧化，产生电化学反应，从而当场发电。至关重要的是，这种方法省去了传统燃煤电厂通常所需的蒸汽生产和机械涡轮机等发电环节。

在阳极出口处，反应产生的二氧化碳被直接就地捕获，然后通过催化作用转化为有用的化学原料，例如合成气，或者通过化学方法稳定化为化合物，例如碳酸氢钠。

在系统内二氧化碳直接催化、转化、矿化、电化等，实现近零碳排放发电利用并产生高价值产物，这种碳的闭环处理方式使得该工艺运行安静且清洁，实现了ZC-DCFC 系统内部的二氧化碳消除。

图说：近零碳排放直接煤燃料电池概念图

来源：Energy Reviews

科研人员开发了多种技术，包括原位活化、三维阳极等，以提高DCFC的能量效率。此外，还开发了具有增强催化活性和热机械稳定性的先进材料，以进一步平衡近零碳排放直接煤燃料电池（ZC-DCFC ）的活性和耐久性之间的权衡。

相比之下，传统的燃煤电厂依靠燃烧产生热量，然后利用这些热量产生蒸汽，蒸汽驱动汽轮发电机，并通过多级能量转换链进行发电。这种间接路径从根本上受到热力学限制，特别是与热机相关的卡诺效率上限，它限制了燃料能量转化为可用电能的比例。

谢和平教授指出，传统的燃煤发电过程受限于卡诺循环，其热效率仅为40%左右。相比之下，他认为零碳排放的直接煤燃料电池（ZC-DCFC）避免了燃烧和热力发动机系统相关的能量损失，因此理论效率显著更高。

自2018年起，谢和平院士团队持续攻关，相继在ZC-DCFC关键高性能材料开发、电池力学失效机制与防治、煤燃料活化处理、电极微结构优化等方面取得了一系列进展。

目前，近零碳直流燃料电池（ZC-DCFC）主要由煤炭预处理段、高效直流燃料电池（DCFC）发电段以及具有适当物料和能量流控制的原位二氧化碳转化段组成。这些段协同作用，能够将煤炭的化学能高效转化为电能，实现近零碳排放；同时，二氧化碳可根据所采用的不同原位二氧化碳转化技术转化为多种产物。

图说：近零碳排放直接煤燃料电池概念和架构图

来源：Energy Reviews

早期的直接碳燃料电池存在功率密度低、使用寿命短等问题，而最新的设计旨在通过堆叠形式实现可扩展性，并具有更高的碳到能源转换效率，从而克服了这些挑战。

目前，高功率输出性能与二氧化碳转化率之间的矛盾是近零碳直接燃料电池（ZC-DCFC）系统面临的主要挑战。众所周知，大多数二氧化碳转化技术都需要消耗能量，例如二氧化碳的直接甲烷重整需要外部热能，而二氧化碳的电解则需要直流燃料电池（DCFC）提供电力，这都会降低ZC-DCFC的发电效率。

此外，ZC-DCFC运行过程中的二氧化碳转化还需要进行二氧化碳分离。这些过程也会增加能量损失、成本和系统复杂性。在近零排放条件下，如果二氧化碳转化过程没有得到充分优化，发电效率可能会显著降低。

当下，科研人员正在致力于通过设计一种集成二氧化碳循环路径的新型系统配置，来克服与ZC-DCFC完全消除碳排放和长期稳定性相关的关键瓶颈。

图说：近零碳排放直接煤燃料电池实验模型

来源：Energy Reviews

众所周知，全球范围内易于开采的浅层煤炭储量正逐渐枯竭，迫使煤炭开采向更深的地质构造推进，通常超过2000米，这给传统的地面燃煤电厂带来了技术难题，例如深层煤炭运输的可行性、成本和二氧化碳排放量。

此前，谢和平等人就提出了深层原位流化床开采的变革性概念，以应对深层资源开发日益严峻的挑战。作为流化床煤炭开采的一种极具前景的技术解决方案，ZC-DCFC提倡在深层地质环境中直接进行煤炭的原位转化和高效利用，为煤电脱碳提供了新的理论和技术基础。

参考材料：

[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

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