直接碳燃料電池（Direct Carbon Fuel Cell，DCFC）採用固體碳（如煤、石墨、活性炭、生物質炭等）為燃料，通過其直接電化學氧化反應來輸出電能。直接碳燃料電池的基本結構和傳統燃料電池（MCFC和SOFC）一樣，也是由電子導電的陽極和陰極，離子導電的電解質構成。
基本介紹
- 中文名：直接碳燃料電池
- 外文名：Direct Carbon Fuel Cell
- 燃料：固體碳
- 優點：能量轉化效率高
- 分類：以熔融碳酸鹽為電解質的DCFC等
- 學科：新能源
簡介,基本工作原理,分類,優點,
簡介
我國的能源結構是富煤貧油少氣，以煤為主的能源結構帶來不斷嚴重的環境污染，已嚴重阻礙了我國許多地區的經濟發展。在我國的大氣中，約87%SO2、71%CO2、67%NOx以及60%的懸浮顆粒來自於煤炭燃燒，因此為確保未來大氣污染排放量不超過可接受的水平，實現我國社會與經濟的可持續發展，必須大力發展以煤炭高效潔淨利用為宗旨的潔淨煤技術。直接碳燃料電池的研究為碳煤的高效清潔利用提供了一種淨煤新思路。DCFC在高效清潔利用煤發電和緩解能源緊張方面存在巨大的優勢和潛力，DCFC技術是一種具有現實意義的節能減排新技術，但目前DCFC還僅處於實驗室研究階段，離商業化還有一段距離，需要加大人員與經費的投入。
基本工作原理
直接碳燃料電池採用固體碳（如煤、石墨、活性炭、生物質炭等）為燃料，通過其直接電化學氧化反應來輸出電能。直接碳燃料電池的基本結構和傳統燃料電池（MCFC和SOFC）一樣，也是由電子導電的陽極和陰極，離子導電的電解質構成。
它的基本工作原理是：在電池的陽極發生固體碳燃料的直接電化學氧化反應，釋放出CO2等氣態產物同時釋放出電子產生電流；在陰極發生氧化劑的還原反應，氧化劑與電子結合產生導電離子，導電離子通過電解質傳遞至陽極；通過外部不斷地供給燃料和氧化劑，將燃料氧化釋放的能量源源不斷地轉換為電能。具體的電極反應以及陰陽極生成產物因DCFC使用的電解質不同而不同，理想的電池反應為：
C+O2=CO2
分類
直接碳燃料電池按所用電解質的不同可分為四類：（1）以熔融鹼金屬氫氧化物為電解質的DCFC；（2）以熔融碳酸鹽為電解質的DCFC；（3）採用熔融碳酸鹽（或液態金屬氧化物）和固體氧化物雙重電解質的DCFC；（4）只採用固體氧化物為電解質，即直接碳固體氧化物燃料電池。
優點
直接碳燃料電池是目前唯一使用固體燃料的燃料電池，較傳統燃料電池具有以下不同的優點：
（1）DCFC的能量轉化效率高，其理論效率達100%以上。燃料電池的理論效率為燃料中的吉布斯自由能ΔG與燃料所蘊含的化學能（焓）ΔH之比。
（2）DCFC的燃料利用率可達100%。電池反應過程中，由於反應物固體碳和氣態產物以單獨的純相存在，因此它們的化學勢（活度）不變，不會隨著燃料的轉換程度和在電池內部的位置而改變。這一特點將使得所有加入的燃料可一次性完全轉化掉，即利用率可達100%，而且在碳的全部轉化過程中電池的理論電壓能夠保證恆定在1.02V。傳統燃料電池，其燃料一次循環只能部分轉化到一定程度，否則隨燃料分壓降低，電池電壓下降，因此傳統燃料電池需要對燃料進行反覆循環，以保持燃料分壓。
（3）DCFC的污染排放少，可實現溫室氣體的減排。從化學反應角度上，DCFC發電和火電站的直接燃煤發電都是利用煤炭的完全燃燒反應，但是由於發電原理的不同，DCFC發電所釋放的污染物，如CO2，SOx，NOx，粉塵等，要遠小於直接燃煤發電。
（4）DCFC的碳燃料資源豐富、廉價。可以從煤、石油焦、生物物質（如穀殼、果殼、秸稈、草）甚至有機垃圾中獲得。通過熱解技術將以上物質製備成DCFC的顆粒碳，同時副產的氫氣可用於氫氧燃料電池。因此通過將直接碳燃料電池和其他燃料電池聯合運用，可最大限度實現潔淨高效地利用豐富廉價的煤等含碳固體燃料。
（5）DCFC的固體碳燃料能量密度大，儲存、運輸很方便。
（6）DCFC的結構可模組化設計。根據實際情況，可以經濟方便地調整規模，另外作為固定電站不像燃煤熱電站那樣需要大量水。這些特點使得DCFC特別適於建設坑口電站，變輸煤為輸電，從而可降低煤在運輸中造成的污染並節省運輸費用。
