基本介紹
直接碳燃料電池傳統觀點認為，煤炭是一種破壞環境的“骯髒”能源，而氫燃料電池則是一種清潔能源，但新一代直接碳燃料電池卻向這一傳統觀點發出挑戰。這種燃料電池並不是藉助難於獲得的氫，而是通過氧與煤粉(或者生物量等其他碳源)之間的電氣化學反應產生能量。
直接碳燃料電池的優勢在於，碳基能源生產並不需要燃燒，效率可達到傳統煤電站的兩倍左右。據美國加利福尼亞州的直接碳技術公司預計，他們可在2010年研製出一個使用生物量並且裝機容量達到10千瓦的原型。俄亥俄州的Contained Energy公司則希望在不久後利用這項技術為小型燈泡供電。兩家公司的最終目標都是研製出模組式直接碳燃料電池，通過組裝建造一種新型小規模發電站或者為現有發現站增加清潔能源發電裝機容量。
技術原理
據統計，目前世界範圍內一次能源消費結構中，仍然以煤炭、石油和天然氣等化石類能源消費為主，比例為90.3％。然而，過度使用化石燃料帶來了溫室效應、酸雨和臭氧層破壞等一系列環境問題，使生態系統面臨極大危機；而且化石燃料也正面臨枯竭的危險，石油、天然氣只能使用幾十年，煤炭也只能使用250年左右。因此，為了有效的利用化石能源和減小環境污染，發展高效、清潔的能源轉化技術迫在眉睫。
直接碳燃料電池(direct carbon fuel cell, DCFC) 是將碳的化學能通過碳的電化學氧化過程直接轉換為電能的裝置，無需氣化過程。這種技術的效率比目前的煤電廠高兩倍，其燃料可包括煤、焦炭、焦油、氣體碳和生物碳等。直接碳燃料電池是根據燃料電池利用的燃料來劃分的一種燃料電池，由於其可以用碳直接作為燃料而得名。是解決能源危機和化石類燃料環境污染最有效的技術之一。其原理如下圖所示，
首先固體碳在電池內部進行內重整：
C + H2O = CO + H2
重整後生成的CO 和H2在陽極發生電極反應，其電極反應原理如下：
陰極：O2 + 4e- → 2O2-
陽極：CO + O2- →CO2 + 2e-
H2 + O2- → H2O +2e-
總反應：C +O2 → CO2
DCFC要達到一個高的能量效率需要一個高的操作溫度，它的兩種高溫操作方法是：(1) 熔融電解質燃料電池，其運行溫度為400～750℃；(2) SOFC，其運行溫度為700～1000℃。
研發歷史
19 世紀中葉，Becquerel建立了第一個DCFC，因碳電極里的硝酸鹽導致了電池的失活。1896 年，Jacques 成功研製出一個以鐵為陰極，熔融鹼性氫氧化物為電解液的DCFC，功率1.5 kW，400～500 ℃輸出電壓為0.9 V ,電效率為32%。由於碳酸鹽的沉積而失活,其壽命為6個月。近代碳燃料電池的研究熱潮始於20 世紀70 年代。斯坦福研究所(SRI) 的Weaver 測試了一系列碳材料的電化學氧化活性,指出高比表面積、低結晶度有利於反應活性的提高。碳燃料電池工業化的主要困難在於：難於找到一種同時兼顧導電性、反應活性和成本要求的碳材料以及高溫操作的相關技術。另外，雜質中的毒物和灰分的祛除以及電池構造也是重要的問題。
最近，材料技術的進步使得DCFC 的研究取得了突破性的進展。美國的SARA (Scientific Applications and Research Associates Inc.)公司已經設計並製作出四代熔融電解質DCFC樣機，圖1是其原型圖。第四代以熔融氫氧化鈉為電解液，固體石墨為陽極的DCFC，其輸出功率的峰值為180mW/cm2，最大電流密度超過250 mA/cm2。
中國還處於起步階段，研究較少。中國上海矽酸鹽研究所開始做固體氧化物電解質直接碳燃料電池(SODCFC)的探索研究。他們利用已有平板型SOFC的基礎來探索陽極支撐型管式SODCFC。通過研究浸漬提拉成型法、陶瓷管的燒結方式等方面來探索陽極支撐型管式SODCFC的製備工藝。目前已製備出陽極支撐型管式單電池，其長度達300mm，外徑為11mm。下一步將利用固體碳直接做燃料進行單電池的發電研究。
在現階段DCFC 離工業化還有一段距離。廉價而活性、導電性能良好的陽極碳材料的製備、電池材料的防腐問題、灰分的祛除問題和電池結構的最佳化和放大仍需要做大量的工作。
未來值得關注技術
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