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研究作者与机构
本研究由Akifumi Ido和Makoto Kawase完成，他们来自日本中央电力工业研究所（Central Research Institute of Electric Power Industry, CRIEPI）。研究发表在《Journal of Power Sources》期刊上，于2019年11月25日在线发布，并于2020年正式出版，卷号为449，文章编号为227483。

学术背景
本研究属于能源科学与技术领域，特别是直接碳燃料电池（Direct Carbon Fuel Cells, DCFCs）的研究。随着全球变暖和能源问题的加剧，如何更高效地利用碳资源（如生物质和废弃物）成为重要课题。传统的燃烧发电和气化发电系统受限于卡诺效率，且需要大规模设施。相比之下，DCFCs直接将固体碳的化学能转化为电能，具有高效率、紧凑结构和良好燃料运输与储存性的优势。然而，现有的DCFCs多为平面结构，难以连续供应固体燃料。因此，本研究旨在开发一种新型管状熔融碳酸盐直接碳燃料电池（Tubular Molten Carbonate Direct Carbon Fuel Cell, TMC-DCFC），并研究其基本性能。

研究流程
研究分为以下几个步骤：
1. TMC-DCFC的制备
- 研究采用管状结构，通过烧结镍阳极颗粒在管状电池外表面固定内层。为了防止碳粉末导致的阳极和阴极短路，采用了封闭端结构。
- 制备过程中，首先在SUS316L管上打孔并涂抹阴极浆料，然后在氮气/氢气（90/10%）气氛中900°C烧结1小时。接着涂抹电解质基质浆料并干燥，再涂抹阳极浆料并在氮气/氢气/水蒸气（63/7/30%）气氛中900°C烧结3小时。最后，将Li/Na碳酸盐粉末分散在异丙醇中并浸渍到电极和电解质基质中，浸渍在氮气/氢气（90/10%）气氛中650°C进行。
- 研究中制备了两个电池（Cell 1和Cell 2），Cell 2在阳极中添加了氧化铝颗粒以提高耐久性。

1. 发电测试装置

   • 测试装置包括管状电池、活性炭和Li/Na碳酸盐粉末的混合物（80/20 wt%）作为燃料。
     
   • 阴极气体为氮气/氧气/二氧化碳（31/23/46%），流速为150 ml/min；阳极气体为氮气/氢气（96/4%），流速为150 ml/min。
     
   • 阳极出口气体成分通过气相色谱仪分析。
     

2. 温度依赖性测试

   • 在700°C至850°C温度范围内测试了Cell 1的电流-电压（I-V）曲线，结果表明温度越高，电池性能越好。
     

3. 连续发电测试

   • 在800°C和100 mA/cm²条件下对Cell 1和Cell 2进行了24小时连续发电测试。Cell 2实现了约100 mW/cm²的高功率密度。
     
   • 测试过程中，阳极出口气体主要为CO，表明发生了反向布杜阿尔反应（Reverse Boudouard Reaction）。
     

4. 能量平衡计算

   • 基于气体生成量计算了TMC-DCFC的能量平衡，结果显示电效率为20.4%，生成CO的热值为79.6%。
     

主要结果
1. 温度依赖性
- I-V曲线显示，TMC-DCFC的性能随温度升高而提高，这与高温氢燃料电池的性能趋势不同。

1. 连续发电性能

   • Cell 2在24小时内实现了稳定的高功率密度发电，表明TMC-DCFC具有连续发电的潜力。
     

2. 气体生成分析

   • 阳极出口气体主要为CO，表明反向布杜阿尔反应在发电过程中起重要作用。
     

3. 能量平衡

   • 电效率和CO热值的计算结果表明，TMC-DCFC能够高效利用碳资源，同时生成电力和CO。
     

结论
本研究成功开发了一种新型管状熔融碳酸盐直接碳燃料电池（TMC-DCFC），并验证了其连续发电能力和高效碳资源利用的潜力。研究结果表明，TMC-DCFC在高温下性能优异，且能够同时生成电力和CO，具有广泛的应用前景。此外，通过优化操作条件，可以进一步提高电效率并减少反向布杜阿尔反应的影响。

研究亮点
1. 开发了新型管状结构的熔融碳酸盐直接碳燃料电池，解决了平面结构难以连续供应固体燃料的问题。
2. 实现了稳定的高功率密度连续发电，验证了TMC-DCFC的实用性。
3. 通过气体生成分析和能量平衡计算，揭示了反向布杜阿尔反应在发电过程中的重要作用。
4. 提出了优化操作条件以提高电效率的潜在方向，为未来研究提供了重要参考。

其他有价值的内容
本研究还探讨了TMC-DCFC在生物质和废弃物利用中的应用潜力，特别是在碳中性和碳负性系统中的应用前景。此外，生成的高纯度CO可以用于进一步的电力生产、燃料合成或化学产品制造，进一步提升了TMC-DCFC的经济和环境价值。