[科普中国]-直接碳燃料电池

简介

我国的能源结构是富煤贫油少气，以煤为主的能源结构带来不断严重的环境污染，已严重阻碍了我国许多地区的经济发展。在我国的大气中，约87%SO2、71%CO2、67%NOx以及60%的悬浮颗粒来自于煤炭燃烧，因此为确保未来大气污染排放量不超过可接受的水平，实现我国社会与经济的可持续发展，必须大力发展以煤炭高效洁净利用为宗旨的洁净煤技术。直接碳燃料电池的研究为碳煤的高效清洁利用提供了一种净煤新思路。DCFC在高效清洁利用煤发电和缓解能源紧张方面存在巨大的优势和潜力，DCFC技术是一种具有现实意义的节能减排新技术，但目前DCFC还仅处于实验室研究阶段，离商业化还有一段距离，需要加大人员与经费的投入。1

基本工作原理直接碳燃料电池采用固体碳（如煤、石墨、活性炭、生物质炭等）为燃料，通过其直接电化学氧化反应来输出电能。直接碳燃料电池的基本结构和传统燃料电池（MCFC和SOFC）一样，也是由电子导电的阳极和阴极，离子导电的电解质构成。1

它的基本工作原理是：在电池的阳极发生固体碳燃料的直接电化学氧化反应，释放出CO2等气态产物同时释放出电子产生电流；在阴极发生氧化剂的还原反应，氧化剂与电子结合产生导电离子，导电离子通过电解质传递至阳极；通过外部不断地供给燃料和氧化剂，将燃料氧化释放的能量源源不断地转换为电能。具体的电极反应以及阴阳极生成产物因DCFC使用的电解质不同而不同，理想的电池反应为1：

C+O2=CO2

分类直接碳燃料电池按所用电解质的不同可分为四类：（1）以熔融碱金属氢氧化物为电解质的DCFC；（2）以熔融碳酸盐为电解质的DCFC；（3）采用熔融碳酸盐（或液态金属氧化物）和固体氧化物双重电解质的DCFC；（4）只采用固体氧化物为电解质，即直接碳固体氧化物燃料电池。1

优点直接碳燃料电池是目前唯一使用固体燃料的燃料电池，较传统燃料电池具有以下不同的优点1：

（1）DCFC的能量转化效率高，其理论效率达100%以上。燃料电池的理论效率为燃料中的吉布斯自由能ΔG与燃料所蕴含的化学能（焓）ΔH之比。

（2）DCFC的燃料利用率可达100%。电池反应过程中，由于反应物固体碳和气态产物以单独的纯相存在，因此它们的化学势（活度）不变，不会随着燃料的转换程度和在电池内部的位置而改变。这一特点将使得所有加入的燃料可一次性完全转化掉，即利用率可达100%，而且在碳的全部转化过程中电池的理论电压能够保证恒定在1.02V。传统燃料电池，其燃料一次循环只能部分转化到一定程度，否则随燃料分压降低，电池电压下降，因此传统燃料电池需要对燃料进行反复循环，以保持燃料分压。

（3）DCFC的污染排放少，可实现温室气体的减排。从化学反应角度上，DCFC发电和火电站的直接燃煤发电都是利用煤炭的完全燃烧反应，但是由于发电原理的不同，DCFC发电所释放的污染物，如CO2，SOx，NOx，粉尘等，要远小于直接燃煤发电。

（4）DCFC的碳燃料资源丰富、廉价。可以从煤、石油焦、生物物质（如谷壳、果壳、秸秆、草）甚至有机垃圾中获得。通过热解技术将以上物质制备成DCFC的颗粒碳，同时副产的氢气可用于氢氧燃料电池。因此通过将直接碳燃料电池和其他燃料电池联合运用，可最大限度实现洁净高效地利用丰富廉价的煤等含碳固体燃料。

（5）DCFC的固体碳燃料能量密度大，储存、运输很方便。

（6）DCFC的结构可模块化设计。根据实际情况，可以经济方便地调整规模，另外作为固定电站不像燃煤热电站那样需要大量水。这些特点使得DCFC特别适于建设坑口电站，变输煤为输电，从而可降低煤在运输中造成的污染并节省运输费用。1