直接碳固体氧化物燃料电池研究进展：碳燃料和逆向Boudouard反应催化剂

吴玉玺，韩婷婷，解子恒，李 琳，宋艳雯，梁加仓，张津津，于方永，杨乃涛

（山东理工大学化学化工学院，山东淄博 255049）

在可预见的未来，化石燃料尤其是煤炭仍然是最具优势以及最主要的能量来源。但是，传统的火力发电方式，不但效率低，而且会产生大量污染物，加剧全球环境危机。因此，大力发展煤炭的高效、清洁利用技术迫在眉睫。

直接碳燃料电池(Direct carbon fuel cells，DCFCs)是一种高效的电化学发电装置，可以把固体燃料中的化学能直接转换为电能[1-3]。根据使用的电解质的不同，DCFCs 可以分为三种类型：直接碳熔融碳酸盐燃料电池[4-5]、直接碳熔融氢氧化物燃料电池[6-7]和直接碳固体氧化物燃料电池(direct carbon solid oxide fuel cells，DC-SOFCs)[8-10]。其中，DC-SOFCs具有全固态结构、较高的能量转换效率等突出优势，有望成为一种高效、清洁的碳发电技术[11]。

实际上，DC-SOFC 可以看作是以固体碳为燃料的固体氧化物燃料电池(SOFC)。1988 年，Nakagawa 和Ishida 等人[12]首次开发了一种全固态DC-SOFC，采用多孔金属Pt 作为电极材料，以氧化钇稳定氧化锆(YSZ)为电解质。采用木炭为燃料，单电池在800 ℃和1000 ℃的最大功率密度分别为3.3 mW/cm2和34 mW/cm2，证明了DC-SOFCs的可行性。在此基础上，他们提出了DC-SOFC的工作原理。如图1所示，O2分子在阴极侧得到电子被还原成O2−(反应1)，并通过YSZ电解质的传递到达阳极。

图1 DC-SOFC工作原理示意图[13]Fig.1 Schematic diagram of a single DC-SOFC[13]

然后与CO 在阳极侧发生反应生成CO2，并给外电路提供电子(反应2)。

生成的CO2分子扩散到碳燃料表面，发生逆向Boudouard反应产生更多的CO(反应3)，并扩散到阳极再次发生电化学氧化反应。

电化学氧化反应和逆向Boudouard反应之间耦合循环，完美解决了固体碳的传质问题，实现了消耗固体碳来持续发电的目的，电池总反应如反应4所示。……