煤基燃料電池：中國電化學系統將煤轉化為電能且無直接碳排放

中國研究人員開發出一種煤基燃料電池，通過電化學過程而非燃燒來發電。

傳統燃煤發電通常與高污染、大量碳排放以及相對較低的效率聯系在一起。然而，一種全新的煤基發電方式正在挑戰這一根深蒂固的印象，它完全摒棄了燃燒過程。

該系統不是燃燒煤炭，而是將其化學能直接轉化為電能，避免了通常決定其環境影響的二氧化碳排放。這一突破來自深圳大學的中國科學院院士謝和平領導的研究團隊，他們開發出了所謂的零碳排放直接煤燃料電池（ZC-DCFC）。

這一概念有效地將煤重新定義為一種電化學能源，而非需要燃燒的燃料，為化石資源的更清潔利用開辟了一條潛在的新途徑。

煤燃料電池設計無需蒸汽循環或燃燒

據報道，該系統中的煤并非被燃燒，而是在用于發電之前經歷多步預處理工藝。它首先被磨成細粉，然后經過干燥、提純，并進行表面處理以優化其反應活性。處理后的煤隨后被送入燃料電池的陽極室，同時向陰極側供應氧氣。

在電池內部，煤顆粒通過一層氧化物膜被直接氧化，產生電化學反應，即時生成電能。至關重要的是，這種方法不再需要蒸汽產生和機械渦輪這類傳統電廠核心的發電環節。

在陽極出口處，反應產生的二氧化碳被直接現場捕獲，然后通過催化轉化為合成氣等有用的化學原料，或化學穩定為碳酸氫鈉等化合物。這種閉環式的碳處理方式使得整個過程被描述為既安靜又清潔。

相比之下，傳統的燃煤電廠依賴燃燒產生熱量，然后利用熱量產生蒸汽，通過多級能量轉換鏈驅動渦輪發電機。這種間接路徑從根本上受到熱力學極限的制約，特別是與熱機相關的卡諾效率上限，限制了燃料能量可轉化為可用電能的比例。

突破提升耐久性和功率輸出限制

謝和平表示，傳統煤電過程本身受到卡諾循環的限制，熱效率上限大約為40%。他認為，零碳排放直接煤燃料電池（ZC-DCFC）避免了與燃燒和熱機系統相關的能量損失，因而擁有顯著更高的理論效率。

自2018年以來，謝和平的研究團隊通過多次技術迭代逐步推進該技術，攻克了材料科學、電池耐久性、燃料處理以及維持連續進煤等方面的長期挑戰。早期版本的直接碳燃料電池受限于功率密度低和運行壽命短，而最新設計旨在通過不斷累積的工程優化來克服這些問題。

據研究團隊介紹，最新版本的燃料電池在電堆可擴展性、長期穩定性、碳轉化效率以及整體系統集成方面均有提升。

謝和平還指出，這一概念可應用于位于地下約1.2英里（約1.9公里）的深部煤層。無需將煤開采運輸到地面——這是一個昂貴而復雜的過程——該系統就可以直接在地下將煤轉化為電能，只向地面輸送電力。這樣一來，隨著淺層煤炭儲量逐漸枯竭，這種方法將有助于緩解供應壓力。

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