该文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：

作者及研究机构
本研究的主要作者包括Qianyang Chen、Qianyuan Qiu、Xiaomin Yan、Mingyang Zhou、Yapeng Zhang、Zhijun Liu、Weizi Cai、Wei Wang和Jiang Liu。他们分别来自华南理工大学环境与能源学院、阿尔托大学化学与冶金工程系、广东省新材料研究所现代表面工程技术国家重点实验室、深圳大学化学与环境工程学院以及华南农业大学工程学院。该研究于2020年8月10日发表在《Applied Energy》期刊上，文章编号为115657。

学术背景
该研究聚焦于直接碳固体氧化物燃料电池（Direct Carbon Solid Oxide Fuel Cell, DC-SOFC）技术的开发与应用。DC-SOFC是一种将固体碳的化学能直接转化为电能的技术，具有全固态结构和高效清洁的特点。传统的燃料电池通常使用氢气或液态燃料，而DC-SOFC可以直接利用煤炭、生物质等固体碳燃料，因此在便携式电源、备用电源以及煤炭高效利用领域具有广阔的应用前景。然而，现有的DC-SOFC技术多基于小型纽扣电池或管状电池，存在密封复杂、难以规模化等问题。为了解决这些问题，本研究旨在开发一种紧凑型、无需密封的DC-SOFC堆栈，并探索其在实际应用中的可行性。

研究流程
研究主要包括以下几个步骤：
1. 碳燃料的制备
- 使用商业活性炭粉末作为基础燃料，并通过湿法团聚工艺负载5 wt%的铁催化剂，以促进反向Boudouard反应。
- 制备来自紫荆树枝的木质粉末作为生物质燃料，未添加任何催化剂。

1. 12单元DC-SOFC堆栈的制备

   • 使用10 cm × 10 cm的钇稳定氧化锆（YSZ）电解质板作为基础材料。
     
   • 在电解质板的一侧印刷12个独立的阴极，另一侧印刷对应的阳极，每个阴极-阳极对构成一个单元电池。
     
   • 使用银-钆掺杂氧化铈（Ag-GDC）复合材料作为电极材料，通过丝网印刷技术将电极图案印制到电解质板上。
     
   • 在电极上印刷银网格以收集电流，并通过电解质板边缘的银浆将各单元电池串联起来。
     

2. 堆栈组装与测试

   • 将制备好的堆栈板覆盖在装有碳燃料的石英容器上，无需任何密封材料。
     
   • 使用电加热器为堆栈提供热量，并通过电化学测试仪测量堆栈的输出性能。
     
   • 测试不同温度（700°C、750°C、800°C）和不同电流（0.5 A、1.0 A、1.5 A）下的堆栈性能。
     

3. 出口尺寸对性能的影响研究

   • 制备不同出口尺寸的DC-SOFC纽扣电池，研究出口尺寸对电池性能的影响。
     
   • 通过电化学阻抗谱分析电池的欧姆电阻和极化电阻。
     

主要结果
1. 活性炭燃料堆栈的性能
- 在800°C下，使用15 g负载铁催化剂的活性炭作为燃料时，堆栈的开路电压（OCV）为10.8 V，最大输出功率为10.2 W。
- 在1.5 A的恒定电流下放电，堆栈的放电时间为2小时，输出能量为29 Wh，对应的碳能量密度为2000 Wh/kg。

1. 木质粉末燃料堆栈的性能

   • 使用紫荆树枝木质粉末作为燃料时，堆栈在800°C下的OCV为11.3 V，最大输出功率超过13 W。
     
   • 木质粉末中的天然催化剂（如钙和镁氧化物）显著提高了堆栈的性能。
     

2. 出口尺寸对性能的影响

   • 出口尺寸较小的纽扣电池表现出更高的输出功率密度和更低的极化电阻，表明窄出口有助于提高阳极腔内的CO浓度，从而提升电池性能。
     

结论
本研究成功开发了一种紧凑型、无需密封的DC-SOFC堆栈，首次在单一电解质板上集成了12个单元电池。该堆栈具有高电压输出、简单操作、机械可充电等优点，能够直接利用活性炭和生物质作为燃料。研究结果表明，该技术在高能量密度便携式电源和煤炭高效利用领域具有巨大的应用潜力。此外，研究还提出了基于DC-SOFC技术的连续供煤发电厂设计方案，为未来大规模应用奠定了基础。

研究亮点
1. 首次在单一电解质板上集成了12个单元电池，实现了DC-SOFC堆栈的紧凑设计。
2. 无需密封材料和管道，简化了堆栈的结构和操作。
3. 成功利用生物质燃料（紫荆树枝木质粉末）实现了高性能输出，展示了该技术在可再生能源利用中的潜力。
4. 提出了基于DC-SOFC技术的连续供煤发电厂设计方案，为未来大规模应用提供了新思路。

其他有价值的内容
研究还通过X射线衍射（XRD）分析了木质粉末及其灰分的成分，发现木质粉末中的天然催化剂（如钙和镁氧化物）对提升堆栈性能起到了重要作用。此外，研究还探讨了碳燃料表面活性位点减少和阳极碳沉积对堆栈性能的影响，为未来优化DC-SOFC技术提供了重要参考。

以上是对该研究的全面报告，涵盖了研究背景、流程、结果、结论及其科学和应用价值。