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作者及机构：
本研究由Kang Bie、Peifang Fu*、Yang Liu、Ahsan Muhammad和Tianyao Xu共同完成，他们来自华中科技大学能源与动力工程学院、煤燃烧国家重点实验室，位于中国武汉。研究发表于《International Journal of Hydrogen Energy》第48卷，2023年，并于2022年12月29日在线发布。
学术背景：
煤是全球最丰富且经济的化石能源，占全球一次能源消费的25%，预计到2030年将增至28%。然而，传统燃煤发电效率较低，且排放大量污染物，如CO₂、NOx和SO₂等。因此，开发高效、清洁的煤炭利用技术至关重要。熔融碳酸盐直接碳燃料电池（molten carbonate direct carbon fuel cell, MC-DCFC）是一种新型煤炭利用技术，具有高热转换效率（75%-95%）、低污染物排放等优势，能够通过电化学氧化在较低温度（约650°C）下利用煤炭。
本研究旨在设计一种新型阳极结构，并评估六种煤基燃料（包括三种煤及其对应的煤焦）在MC-DCFC中的电化学性能，探讨其性能差异机制及操作温度对性能的影响，为MC-DCFC技术的商业化应用提供理论支持。
研究流程：
1. 燃料制备与表征：
使用三种煤炭（黄石烟煤、黄石贫煤、神华褐煤）及其对应的煤焦（烟煤焦、贫煤焦、褐煤焦）。煤焦通过在氮气保护下1173 K高温焦化1小时制备。对燃料进行工业分析（水分、挥发分、灰分、固定碳）和元素分析（C、H、O、N、S），并使用BET法测定比表面积、孔容和孔径分布。此外，通过热重分析（TG）评估燃料的热反应性。
MC-DCFC设计与实验：
制备MC-DCFC单电池，采用62 mol% Li₂CO₃和38 mol% K₂CO₃为电解质，使用316不锈钢作为阳极结构。阳极采用新型设计，通过注射器式结构将煤粉压入熔融碳酸盐中，解决传统结构中煤粉漂浮问题。实验采用三电极系统：工作电极为煤粉/金片，对电极为（O₂+CO₂）/金片，参比电极为（O₂+CO₂）/金丝。
实验测试：
在600°C、650°C和750°C下，测量各燃料的极化曲线、电化学阻抗谱（EIS）和开路电压（OCV）。通过恒电位极化测试评估燃料的稳定性，并分析操作温度对电化学性能的影响。
数据分析：
对实验数据进行统计分析和比较，探讨燃料物理化学性质与电化学性能之间的关系，并解释性能差异的机制。
主要结果：
1. 燃料表征结果：
烟煤和褐煤具有较高的挥发分和热反应性，煤焦的比表面积较原煤降低。烟煤的比表面积最大（6.6 m²/g），烟煤焦的氧含量较高。
电化学性能：
六种燃料的电化学性能排序为：烟煤 > 贫煤 > 烟煤焦 > 褐煤 > 褐煤焦 > 贫煤焦。烟煤和贫煤的峰值功率密度最高，分别为108.7 mW/cm²和109.8 mW/cm²，烟煤焦为98.1 mW/cm²，褐煤为83.7 mW/cm²，褐煤焦为71.3 mW/cm²，贫煤焦最低（53.2 mW/cm²）。
温度影响：
温度升高显著提高了燃料的电化学反应性，烟煤和褐煤在600-650°C范围内对温度最敏感，贫煤敏感性最低。
稳定性：
各燃料的开路电压在2小时内保持稳定，烟煤和褐煤的OCV较高（分别为1.10 V和1.05 V），烟煤焦的OCV最低（0.84 V）。恒电位极化测试表明，煤燃料的电性能衰减比煤焦更显著。
结论：
本研究表明，MC-DCFC中煤燃料的电化学性能优于煤焦，烟煤和贫煤表现最佳。燃料的高挥发分、高碳含量、低灰分和硫含量、较大比表面积、高热反应性等特性有助于提高电化学性能。操作温度对性能有显著影响，烟煤和褐煤在600-650°C范围内对温度最敏感。研究为MC-DCFC技术的商业化应用提供了重要的实验数据和理论支持。
研究亮点：
1. 设计了一种新型阳极结构，解决了煤粉漂浮问题，显著提高了MC-DCFC性能。
2. 首次系统比较了六种煤基燃料在MC-DCFC中的电化学性能，揭示了性能差异的机制。
3. 通过实验验证了操作温度对燃料性能的影响，为优化MC-DCFC运行参数提供了依据。
4. 研究结果为煤炭的高效清洁利用提供了新的技术路径，具有重要的科学和应用价值。
其他价值：
本研究的实验方法和数据分析方法为未来MC-DCFC的研究提供了参考，新型阳极结构的设计也为其他类型燃料电池的开发提供了新思路。
这篇报告详细介绍了研究的背景、流程、结果和意义，适合其他研究者了解本研究的核心内容和价值。