直接碳燃料电池

研发历史

　　19 世纪中叶，Becquerel建立了个DCFC，因碳电极里的硝酸盐导致了电池的失活。1896 年，Jacques 成功研制出一个以铁为阴极，熔融碱性氢氧化物为电解液的DCFC，功率1.5 kW，400～500 ℃输出电压为0.9 V ,电效率为32%。由于碳酸盐的沉积而失活，其寿命为6个月。近代碳燃料电池的研究热潮始于20 世纪70 年代。斯坦福研究所（SRI） 的Weaver 测试了一系列碳材料的电化学氧化活性，指出高比表面积、低结晶度有利于反应活性的提高。碳燃料电池工业化的主要困难在于：难于找到一种同时兼顾导电性、反应活性和成本要求的碳材料以及高温操作的相关技术。另外，杂质中的毒物和灰分的祛除以及电池构造也是重要的问题。

　　最近，材料技术的进步使得DCFC 的研究取得了突破性的进展。美国的SARA （Scientific Applications and Research Associates Inc.）公司已经设计并制作出四代熔融电解质DCFC样机，图1是其原型图。第四代以熔融氢氧化钠为电解液，固体石墨为阳极的DCFC，其输出功率的峰值为180mW/cm2，电流密度超过250 mA/cm2。

　　中国还处于起步阶段，研究较少。中国上海硅酸盐研究所开始做固体氧化物电解质直接碳燃料电池（SODCFC）的探索研究。他们利用已有平板型SOFC的基础来探索阳极支撑型管式SODCFC。通过研究浸渍提拉成型法、陶瓷管的烧结方式等方面来探索阳极支撑型管式SODCFC的制备工艺。目前已制备出阳极支撑型管式单电池，其长度达300mm，外径为11mm。下一步将利用固体碳直接做燃料进行单电池的发电研究。

　　在现阶段DCFC 离工业化还有一段距离。还无法制成扣式电池。廉价而活性、导电性能良好的阳极碳材料的制备、电池材料的防腐问题、灰分的祛除问题和电池结构的优化和放大仍需要做大量的工作。

原理

　　直接碳燃料电池（direct carbon fuel cell, DCFC） 是将碳的化学能通过碳的电化学氧化过程直接转换为电能的装置，无需气化过程。这种技术的效率比目前的煤电厂高两倍，其燃料可包括煤、焦炭、焦油、气体碳和生物碳等。

　　由于DCFC总反应：

　　C + O2 = CO2

　　因此，DCFC的理论能量转换效率甚至略微超过100％。DCFC要达到一个高的能量效率需要一个高的操作温度，它的两种高温操作方法是：（1） 熔融电解质燃料电池，其运行温度为400～750℃；（2） SOFC，其运行温度为700～1000℃。

优点

　　1、效率高

　　2、电池结构简单

　　3、污染物排放少

　　4、碳燃料的来源广泛

　　5、碳燃料的能量密度高

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