Considering the significant emissions associated with conventional coal-to-methanol (CTM) systems and the increasing demand for renewable energy consumption, this study proposes a novel scheme for CTM, which couples a solid oxide fuel cell (SOFC) and solid oxide electrolysis cell (SOEC). The objective is to reduce coal consumption and carbon emissions. The proposed scheme involves introducing green hydrogen, enriching CO2 concentration, and recovering it from exhaust gas. A system simulation model was developed using Aspen Plus/Aspen Custom Modeler software for the design and sensitivity analysis. The design results demonstrate that by utilizing green hydrogen produced through H2O electrolysis in the methanol synthesis process, the coal consumption per unit of methanol production can be reduced from 1.26 kg/kg to 0.74 kg/kg. Moreover, by employing SOFC instead of conventional heat boiler system, the CO2 concentration in CTM exhaust can be significantly improved from 9.11 % to 30 %, enhancing the efficiency of carbon separation. The inclusion of a CO2 electrolysis process helps converting CO2 into a part of methanol capacity and achieving zero-carbon emissions. The findings aim to provide a reference basis and theoretical guidance for the design, optimization, and integration of renewable energy sources into the novel coal-to-methanol system with solid oxide cells.

The potential application of plasma spraying in the preparation of ceramic electrolyte for porous metal-supported solid oxide fuel cells (SOFCs) is highlighted by its ability to eliminate the need for a high-temperature sintering process. However, the challenge of achieving highly dense electrolytes through plasma spraying remains to be addressed. In this study, a novel electrolyte for porous metal-supported SOFCs (PMS-SOFCs) is developed. This involved the preparation of a highly dense structure of gadolinium-doped ceria (GDC)-lanthanum strontium gallium magnesium oxide (LSGM) composite coating using plasma spraying under atmospheric conditions. The composite electrolyte is prepared using atmospheric plasma spraying (APS). The addition of the low-melting-point LSGM phase enhanced the microstructural densification of the GDC-based composite coating and diminished electron loss in a reducing atmosphere, thereby improving the cell's open-circuit voltage. At 36 kW plasma arc power, the single cell with composite electrolyte exhibited a maximum power density of 371 mw/cm2 at 750 °C and achieved the highest open-circuit voltage (1.03 V) at 600 °C. Moreover, the open-circuit voltage remained stable over a 100-h test. These findings suggest that using APS to deposit a composite electrolyte with added low-melting-point secondary phases presents a promising approach for achieving relatively high OCV in PMS-SOFCs based on cerium oxide electrolytes.