直接碳燃料电池燃料的研究进展

郝森然，陈 晓，曾晓苑，肖 杰

(昆明理工大学冶金与能源工程学院，锂离子电池及材料制备技术国家地方联合工程实验室，昆明 650093)

0 引 言

步入21世纪以来，随着经济社会的高速发展，人类对电能的需求越来越大。目前人们主要依赖的还是传统的火力发电，虽然近些年来可再生能源发电技术(如太阳能发电[1]、潮汐能发电[2]、水力发电[3]、风力发电[4]等)取得了长足的进步，但是目前全球67%的能源供应仍然来源于化石能源[5]，所以在接下来的很长一段时间里，仍然十分依赖于化石能源。碳燃料是目前世界上储量最为丰富的燃料，除了常见的煤炭[6]之外，还包括其他许多种类的碳资源，例如生物质(BC)、石墨(GC)、废弃的中密度纤维板(MDF)等[7-11]。但是传统的碳燃料利用方式单一、能量转化效率低、环境污染问题严重等，直接限制了碳燃料的有效利用，因此，开发清洁高效的新型碳燃料利用方式，是解决当前问题的关键[12]。近些年来，燃料电池技术因其在清洁高效发电方面的优势，引起了极大的关注，与传统火力发电方式不同，燃料电池只需通过电化学氧化反应过程就可将燃料中的化学能直接转化为电能，而传统的火力发电受卡诺循环的限制，导致燃料利用率低，而燃料电池则不受此困扰[13-15]。作为燃料电池中非常重要的一种，直接碳燃料电池(DCFC)由于能量转换率高、对环境污染小、燃料选择范围广等优点，被广泛认为是可以改变传统碳燃料利用方式的有效途径之一[9, 16]。它的工作原理如下：首先，阴极产生的O2-穿过电解质进入阳极腔室与CO反应生成CO2，并失去两个电子，如反应式(1)所示：

CO+O2-=CO2+2e-

(1)

然后，产生的CO2扩散到碳燃料表面与C反应生成更多的CO，该过程也叫作逆向布多尔(Boudouard)反应，如反应式(2)所示：

CO2+C=2CO

(2)

该体系的总反应如式(3)所示：

C(s)+O2(g)=CO2(g)

(3)

从DCFC的反应原理可知，凡是含碳固体均可以作电池燃料，例如石墨、炭黑(CB)、MDF、生物质、煤、活性炭(AC)等[7]。因为电池性能与碳燃料特性密切相关，所以本文着重描述了上述几种碳燃料在DCFC中的表现，探讨了它们的基本特性，系统地阐述了它们的研究进展，为探寻更加高效、环保、可再生的碳燃料提供新的思路。

1 石 墨

图1 直接碳燃料电池(a)工作原理和(b)测试装置示意图[20]Fig.1 Schematic illustration of (a) the operation principle and (b) the testing device of a direct carbon solid oxide fuel cell (DC-SOFC)[20]

石墨具有非常高的碳含量、极少的杂质、相对完美的晶体结构以及很好的电导率及性能重复性[17-19]，因此被尝试用作DCFC的燃料，图1为DCFC的结构示意图[20]。Eom等[21]以一定比例的Li2CO3-K2CO3共熔混合物作为电解质，以石墨颗粒作燃料进行测试，研究后发现，虽然石墨具有规整的排列结构及高的电导率，但是因为其高度结晶化以及较低的含氧官能团，使之产生了很大的结合能，所以石墨作为燃料发生碳的氧化时需要非常高的能量。同时，石墨规整的排列结构也导致其比表面积较小、表面晶格缺陷少、缺乏活性位点。而且石墨表面亲水官能团太少也导致燃料与电极之间的润湿性较差，制约了其作为DCFC燃料的电化学性能，在650 ℃时只取得了15.3 mW/cm2的峰值功率密度。Li等[22]在研究中使用GC作燃料，测试了混合直接碳燃料电池(HDCFC)系统的电化学性能后发现，GC的稳定结构不利于发生逆向Boudouard反应，生成CO产物，同时，GC中的微孔或无孔结构也不利于碳与熔融碳酸盐之间的充分接触，因此他们也只取得了59 mW/cm2的峰值功率密度。因此，石墨并不适合单独作为DCFC的燃料，但是，由于其杂质较少、晶体结构整齐、性能比较稳定，因此可以与其他燃料进行参比，作为评判其他燃料好坏的标准。

2 炭 黑

CB是一种质轻、蓬松而极细的无定形碳，比表面积非常大，通常在10～3 000 m2/g左右，是含碳物质(煤、天然气、重油、燃料油等)在空气不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而得到的产物[23]。CB粒子具有微晶结构，在CB中，碳原子的排列方式类似于石墨，组成六角形平面，通常3～5个这样的平面组成一个微晶。由于CB微晶的每个石墨层面中，碳原子的排列是有序的，而相邻层面间碳原子的排列又是无序的，所以又叫准石墨晶体。所以，CB也被尝试用作DCFC的燃料[24]。

Liu等[25]在2009年的一项研究中，以商业CB为燃料，使用NiO-YSZ(yttria stabilized zirconia，氧化钇稳定的氧化锆)阳极支撑的管式DCFC进行测试，在850 ℃、800 ℃、750 ℃的温度下分别获得了104 mW/cm2、75 mW/cm2和47 mW/cm2的功率密度，初步证实了CB作为燃料的可行性。之后，又有Li等[26]通过在商业CB中添加K、Ca、Ni金属催化剂的方法，测试了在750 ℃下Ni/YSZ阳极支撑的扣式DCFC的电化学性能，分别获得了147.7 mW/cm2、103.4 mW/cm2、112.3 mW/cm2的功率密度，但是效果仍然不是非常理想。所以，为了探究DCFC以CB大规模作燃料的可行性，Li等[22]分别以AC、GC以及CB作燃料，使用NiO-YSZ/YSZ-GDC(gadolinium doped ceria，氧化钆掺杂的氧化铈)/GDC-LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3+δ)结构的电池，研究在650～800 ℃不同阳极气氛下，碳的化学和物理性质对电池性能的影响。结果表明，CB具有第二好的电化学性能，分析后发现，燃料电池中燃料的电化学活性强烈依赖于碳燃料的晶体结构、热稳定性和结构特性。而CB的晶体结构相对稳定，也具有较高的热稳定性，虽然它具有很大的比表面积，但是其电化学活性仍然相对较低。因此，CB作为燃料虽然可行，但是想要大规模应用不太现实。以上所有数据均列于表1。

表1 各电池阳极材料与功率密度Table 1 Anode materials and power densities of different cells

3 中密度纤维板

MDF是一种广泛用于家具生产的木质复合材料，是由软木纤维(例如桦木、落叶松等)使用合成树脂粘合剂粘合而成。其中木材含量通常超过80%，合成树脂粘合剂通常是尿素-甲醛共聚物，但是也会使用其他粘合剂(例如三聚氰胺-脲-甲醛共聚物、酚醛树脂或聚合的亚甲基二异氰酸酯等)[27-28]。但是随着MDF的广泛使用，相应的问题也随之而来，尽管MDF本身并不是废物，但以它为原料的废弃家具却是垃圾填埋场的长期贡献者，因此人们应该研究一种更好利用这种资源的方法。

图2 PMDF条带的扫描电镜照片[27]Fig.2 Scanning electron micrograph of part of PMDF strip[27]

Jain等[27]致力于HDCFC的研究，他们以NiO/YSZ作为阳极材料，以YSZ粉末压制的圆片作为电解质，使用LSM(lanthanum strontium manganate)/YSZ作为阴极材料，将废弃的MDF 500 ℃碳化后的热解产物作燃料，热解后的MDF微观结构如图2所示。他们分别以三种经过不同预处理的热解中密度纤维板(PMDF)作燃料(一种是将样条浸入熔融的低共熔碳酸盐混合物中，第二种是将样品条深浸在与共晶成分相对应的碳酸盐水溶液中，最后一种是将第二种样品磨成细粉得到的)，分别对它们进行了电化学性能测试。在经过分析测试后发现，PMDF是HDCFC系统极佳的燃料，仅仅几平方厘米几何面积的电池上就可以产生高达50 mW的功率。而且他们发现，PMDF样品的制备方法也决定了电池的性能，粉末状的PMDF相对于未粉末化的样品具有更大的比表面积，因此在700 ℃以下具有较低的电池电阻，与经过碳酸盐处理的PMDF棒作燃料的HDCFC在700 ℃以上的电阻值大致相似。因此，PMDF作为燃料应用在DCFC中具有很大的潜力，可以大规模推广。

4 生物质

近年来，随着全球化石能源的加速枯竭，蕴含巨大能源潜力的生物质受到越来越多的关注。生物质是一种广泛分布的可再生能源，从农林废弃物到有机生活垃圾等都属于生物质。每年，世界上都会产生大量的农作物残留，中国作为一个养活了世界五分之一人口的农业大国，对世界农作物残留产量的贡献最大，而且每年的农作物残留大部分以露天焚烧的方式进行粗放处理，不仅造成了严重的环境污染问题，影响了周边居民的身体健康，也造成了大量的能源浪费[29]。因此，将生物质中的能量合理利用，不仅可以实现生物质的无害化处理，还可以实现能源的合理利用。目前生物质的利用方式主要有三种：热化学途径、生物化学途径、燃料电池途径[30]。热化学途径因为卡诺循环的限制，其能量利用率一般低于30%，生物化学途径总的能量利用率与热化学途径的利用率相差不大，而燃料电池途径因为不受卡诺循环的影响，燃料利用率可以达到60%以上，且产物中的大部分成分是无污染的CO2。虽然其产物是二氧化碳，但是二氧化碳是以一种洁净的方式排出，是较纯的二氧化碳，不像传统的火力发电技术，排放的气体中夹杂着难分离的氮氧化物，因此，降低了碳的捕获难度，避免了对大气的污染，对于节能减排和环境保护有着重要的作用。因此，它代表了生物质利用的重要发展趋势。

4.1 热解改性生物质

生物质炭是一种通过热分解从生物质中得到的富碳材料。热解处理可以将生物质中的大部分有机挥发分以及硫化物除去，得到的生物质炭含碳量高，杂质相对较少，用来作DCFC的燃料会有更长的使用寿命。

小麦和玉米是两种主要的谷物作物，主要种植在美国、加拿大和中国，甘蔗是重要的糖料作物之一，在巴西和中国南方广泛种植。Qiu等[29]分别以一年份的麦秸(河南郑州)、玉米芯(广东广州)和甘蔗渣(广东茂名)为原料，经碳化处理后得到实验所用燃料，使用Ag-GDC|YSZ|Ag-GDC结构DCFC，在800 ℃下进行了一系列的电化学性能测试。结果如图3所示，其中，甘蔗渣炭的性能最好，开路电压为1.0 V，峰值功率密度达到了260 mW/cm2，其次是玉米芯炭，开路电压为0.99 V，峰值功率密度为204 mW/cm2，最差的是麦秸炭，其开路电压为0.98 V，峰值功率密度为187 mW/cm2，装有0.5 g麦秸、玉米芯和甘蔗渣炭的电池以140 mA/cm2的恒定电流密度放电，分别持续了15 h、24 h和22 h。由图4三种生物质的EDS图可以看出，麦秸、玉米芯和甘蔗渣的生物质炭中自然含有碱金属和碱土金属元素，例如钾、钙和镁，无需添加任何人工催化剂，因此非常适合作DCFC的燃料。这三种生物质炭使用的是完全相同的制备工艺和测试条件，但是电化学性能却具有较为显著的差异，这个事实证明了DCFC的输出性能与所用炭的特性密切相关。甘蔗渣炭中S和Si的含量较低，Boudouard反应催化剂K2CO3的含量较高，并且具有碳的最有序形式和最低的振实密度，所以在DCFC上运行时具有最高的性能，与之相反，麦秸炭则具有最低的性能。而且，以灰分最高的麦秸炭为燃料运行的DCFC具有最低的放电容量，而灰分含量最低的玉米芯炭的放电容量最高。尽管甘蔗渣炭的放电容量小于玉米芯炭，但前者的活性更高释放的能量更大，输出电压也较高。考虑到甘蔗渣炭的高转化率以及使用甘蔗渣炭DCFC的高性能，他们认为甘蔗渣可以作为DCFC的优良燃料来源，广泛应用于当地的分布式发电厂。

图3 装载了麦秸炭、玉米芯炭和甘蔗渣炭的DCFC在800 ℃的输出性能(a)、阻抗谱(b)以及140 mA·cm-2恒电流放电曲线(c)[29]Fig.3 Output performance impedance spectra (a) and discharging characteristics (b) operated at a constant current density of 140 mA·cm-2 (c) of DCFC operated on chars derived from wheat straw, corncob, and bagasse at 800 ℃[29]

图4 麦秸(a)、玉米芯(b)、甘蔗渣(c)的SEM照片，麦秸炭(d)、玉米芯炭(e)、甘蔗渣炭(f)的EDS结果和麦秸炭(g)、玉米芯炭(h)、甘蔗渣炭(i) 燃烧后灰分的EDS结果[29]Fig.4 SEM images of chars from derived from wheat straw (a), corncob (b), and bagasse (c); EDS results of chars from wheat straw (d), corncob (e), and bagasse (f); EDS results of ashes from wheat straw char (g), corncob char (h), and bagasse char (i)[29]

4.2 酸浸改性生物质

生物质材料因其种类和生长环境不同，其内部的元素种类及含量也不尽相同。除了最主要的碳元素外，还存在许多非碳元素，如氢、氧、氮以及钙、镁、钾等金属元素。对生物质进行热处理只能除去部分有害元素，要想更好地利用生物质材料，一些化学处理就十分必要。

马来西亚的棕榈油产业每年都会产生大量的生物质废物，但是目前只有一项生产棕榈中果皮纤维(PMF)生物质炭作为DCFC燃料的报道。Jafri等[31]以PMF生物质为原材料，将PMF用0.1～4.0 mol/L的盐酸进行预处理，然后热解生产生物质炭燃料，并最终在750 ℃、800 ℃和850 ℃下工作的DCFC中评估其性能。结果表明，在所有测试的生物质炭中，用2.0 mol/L HCl处理的PMF生物质炭具有最低的灰分值(0.1%)和最高的O/C比，并且酸预处理有助于提高PMF生物质炭的电化学反应活性，在850 ℃下DCFC中测试的峰值功率密度达到了11.8 mW/cm2，所获得的峰值功率密度高于未经处理的生物质炭的功率密度0.70 mW/cm2。此项结果表明，减少的灰分、含氧官能团的存在和多孔纤维结构增加了预处理的生物质炭燃料在DCFC中的电化学氧化活性位点，降低了电池的界面电阻。基于结构的分析研究(如X射线衍射，比表面积(BET)分析和SEM分析)，可以得到以下结论：(1)在焦炭加工过程中会产生无序的碳颗粒，或者通常是有缺陷的石墨颗粒；(2)用HCl处理的PMF生物质炭具有高的比表面积和孔体积；(3)尽管较高的燃料比表面积对电池的性能会有影响，但它远不如表面化学性质对电池的作用大。这项工作表明，对PMF生物质进行预处理会影响生物质炭燃料的理化性质，从而使DCFC性能得到显著改善，因此生物质炭的化学改性可以增强燃料在DCFC中的适用性。

5 煤

煤炭燃料是目前世界上储量最为丰富的碳资源之一，作为一种重要的能量载体，它具有体积能量密度高、便于运输、价格低廉的优点，是世界各国广泛应用的发电原料[32-33]。但是目前煤炭的广泛利用方式是直接将煤炭燃烧产生的热量转化为机械能和电能，这种利用方式能量转化效率低(30%～40%)，不仅造成严重的资源浪费，同时也排放出大量的CO2以及SO2等酸性气体，是造成全球温室效应和酸雨危害的主要原因之一[34]。使用煤炭作燃料的DCFC理论效率可达到甚至略大于100%，但目前的实际效率在60%～80%[35]，这很大程度上取决于电池所使用的煤炭种类以及煤炭的组成等。煤炭中的每种物质都会对DCFC的性能和运行产生影响，一些元素起抑制作用，而另一些则表现出催化促进作用[36]，具体的元素如表2所示，它们发挥催化或抑制作用的机制可能不同，但是可以肯定的是，这些物质对DCFC燃料的气化过程影响很大进而影响了电池的性能，所以目前需要解决诸如低品位煤炭中杂质较多、电化学氧化活性较低等问题。因此人们对煤炭燃料进行了一系列的改性处理，以此来探究并解决煤炭在DCFC应用中的问题。

表2 煤中部分起催化或抑制作用的元素Table 2 Some catalytic or detrimental elements in coal

5.1 热解处理

褐煤，是一种低品位、深褐色和低光泽的煤，位于泥煤和烟煤之间，是煤化程度最低的煤。中国拥有高达2118亿吨的丰富的褐煤储量，占全国煤炭储量的13%[40]。随着高品质煤炭几乎被开采殆尽，近些年来褐煤已成为中国火力发电厂使用的主要燃料，然而，由于煤化程度低，褐煤在空气中易风化，难以储存和运输，并且在燃烧过程中还会造成严重的空气污染[41]。所以，如果能够通过燃料电池来利用褐煤发电，则发电效率将得到显著提高，并且也可以减少对环境的污染。Wu等[20]以原始宣威褐煤为燃料，使用Ag-GDC|YSZ|Ag-GDC对称结构燃料电池，在850 ℃的温度下进行了一系列的电化学性能测试，其开路电压达到了0.982 V,最大功率密度达到了211.4 mW/cm2。同时，他们将磨细后的褐煤粉在氩气气氛下的热解产物研磨过筛，得到了粒径不大于180 μm的热解褐煤，并以此为燃料在850 ℃的温度下进行了测试，得到开路电压为 0.985 V，最大功率密度为221 mW/cm2，在0.1 A的恒电流放电测试中，放电时间达到了13.73 h。通过图5比较二者的电化学性能后发现，热解褐煤无论是开路电压、最大功率密度、极化电阻还是放电时间均优于原始褐煤。他们分析后认为，褐煤经热解后，其中的大部分有机挥发分被去除，无机盐仍然保留在褐煤焦中，其催化成分得以保留，而且随着大部分有害杂质和有机挥发分被除去,燃料的比表面积也随之增大，因此，热解褐煤作燃料的DCFC的电化学性能得到提升。观察图5也可以发现热解褐煤的放电曲线更加稳定，没有出现电压剧烈波动的情况，说明热解褐煤的放电过程更加平稳，这也意味着碳的气化过程比较稳定，这对于燃料电池发电的实际应用具有非常重要的意义。

图5 装载不同碳燃料的DCFC 在850 ℃的I-V-P曲线(a)、开路电压下的交流阻抗谱(b)以及0.1 A恒流放电曲线图(c)[20]Fig.5 I-V-P characteristics (a), AC impedance spectra under OCV (b), and discharging characteristics operated under a constant current of 0.1 A (c) of DCFC operated with different fuels at 850 ℃[20]

5.2 酸浸处理

研究表明，原煤中含有多种涉及氧、氮、硫的官能团，尤其是褐煤中存在大量的酸性基团，这些官能团的数量与煤的等级和煤中矿物质的组成密切相关。而且已经被证实可以影响低等级煤炭利用过程中的几乎所有环节，尤其是在燃烧过程中。褐煤中最常见的官能团就是酚基(—OH)和羧基(—COOH)，这些基团可形成盐，例如COO-M+、COO-M2+OH或(COO-)2M2+，其中M为碱金属或碱土金属,在高灰分的褐煤中，这些羧酸根与阳离子的化合物占灰分的大部分。在热解过程中，原煤中的大多数有机挥发性产物以焦油或其他气态和冷凝物的形式被除去，大量的表面官能团被破坏，而无机矿物成分仍然保留在煤焦中，而酸处理既可以增加原煤表面的含氧官能团，又可以除去燃料中的灰分，所以，酸处理被认为是热解处理的良好补充。已经证明，HNO3和CH3COOH等处理过的褐煤表面会产生大量的含氧官能团，增加材料与氧气的反应活性，降低其热稳定性进而提高燃料的反应活性。然而，在工业规模上进行酸洗是不现实的，但是基于实验室水平的燃煤酸洗可以更好地了解各物质的催化和抑制作用。

Xie等[6]以平顶山的沥青煤为原料，将热解后的沥青煤用乙酸处理20 h，得到改性后的热解褐煤。他们以Ag掺杂的Ni/YSZ阳极支撑的扣式HDCFC装载上述三种燃料进行测试。结果表明，改性之后的沥青煤焦功率密度达到了366 mW/cm2，远高于原始沥青煤与热解沥青煤焦282 mW/cm2和297 mW/cm2的功率密度，对所有燃料进行检测分析后发现，改性热解沥青煤焦具有最高的含氧官能团，因此也拥有最多的氧化反应活性位点。这充分表明了乙酸改性对燃料表面理化性质的重要作用，因此，应该合理使用酸溶液进一步优化煤炭燃料，提高燃料的利用率。

6 活性炭

AC是一种经过特殊处理的炭，其90%的元素组成为碳元素。将有机原料(果壳、煤、木材等)在隔绝空气的条件下加热炭化，然后与CO2气体反应，表面被侵蚀，就会产生微孔发达的结构。AC表面的微孔直径大多在2～50 nm之间，其比表面积为500～1 500 m2/g[42]。近些年随着直接碳燃料电池技术的发展与进步，AC这种具有良好孔隙结构以及较高碳含量的碳材料引起了人们的注意，人们对AC进行了一系列的研究，一方面将AC作为催化剂的优良载体来提高催化效果[43]，另一方面，人们也将纯AC以及改性之后的AC作为直接碳燃料电池的燃料来探究其作为燃料的可行性，Li等[22]在2017年的一项研究中分别以AC、GC以及CB作燃料，使用NiO-YSZ/YSZ-GDC/GDC-LSGF结构的电池进行测试，对结果进行分析讨论后发现，相比于CB和石墨样品分别为147 mW/cm2和59 mW/cm2的输出功率密度，AC样品表现出了更好的性能，在750 ℃二氧化碳气氛中的峰值功率密度达到了326 mW/cm2，由此可以发现，具有无序结构、较高的比表面积和较低的热稳定性，可以促进更多的CO形成的AC具有很大的应用潜力。

研究表明，直接碳燃料电池使用固体碳燃料与使用CO燃料的工作原理几乎一致，都是发生CO的电化学氧化[44]。在DCFC中，CO通过碳燃料上的Boudouard反应产生，并在电池的阳极上发生电化学氧化。CO的电化学氧化产生相同摩尔量的CO2，该CO2会扩散到碳燃料中并继续参与Boudouard反应。根据能斯特方程，DCFC的开路电压(open circuit voltage, OCV)和输出性能均由CO的浓度控制，但是，CO的浓度又高度依赖于Boudouard反应，这表明Boudouard反应的快慢直接影响DCFC的电化学性能[45-46]。因此，通过将金属催化剂负载在碳燃料上以促进Boudouard反应，可以显著提高DCFC的性能，因此，将装载催化剂前后的电池性能进行了对比，结果如表3所示。Wu等[20]以负载了5%(质量分数)铁的商业AC为燃料，使用Ag-GDC|YSZ|Ag-GDC对称结构燃料电池，在850 ℃的温度下进行了一系列的电化学性能测试，结果显示，电池的开路电压达到了0.922 V,最大功率密度达到了219.7 mW/cm2，在对其进行的阻抗测试中，极化电阻只有0.219 Ω·cm2。Cai等[47]也尝试将含钙AC开发为直接碳燃料电池的燃料，通过浸渍技术，Ca以CaO的形式负载在AC上，使用Ag-GDC|YSZ|Ag-GDC对称结构燃料电池，测试了由不同Ca含量(0、1%、3%、5%和7%)的AC作为燃料的DCFC，测试结果表明，负载钙的AC是用于DCFC的极好的燃料。同时，在测试了使用不同Ca含量的AC燃料负载下运行的DCFC之后，发现负载5%Ca的AC为DCFC的最佳碳燃料。该电池在850 ℃时获得的最大功率密度为373 mW/cm2，比性能最好的负载5%铁的AC(352 mW/cm2)的功率密度还大，比纯AC作燃料的电池功率密度(258 mW/cm2)大得多。由此可以知道，不同种类的金属催化剂催化效果也有很大的差别，与传统的含铁碳相比，用于DCFC的含钙碳具有成本更低、输出性能更高和燃料利用率更高的优势，是一种很有前途的燃料，所以，继续探索新型高效的催化剂仍将是未来解决DCFC燃料问题的关键。

表3 装载催化剂前后电池的功率密度对比Table 3 Comparison of power density of the cells before and after loading catalyst

7 结语与展望

直接碳燃料电池是一种清洁高效利用碳资源的新型发电技术，以其能量转换效率高、燃料选择范围广、环境友好等优点，逐渐成为研究的新热点，被视为改变碳资源传统利用方式的有效途径之一。碳燃料作为直接碳燃料电池技术的一个重要环节，它的选择至关重要，研究者们通过对石墨、炭黑、活性炭、煤、生物质以及MDF等燃料进行研究，详细地阐述了不同碳燃料的特性，并通过电池测试发现燃料的比表面积、表面含氧官能团等理化性质对电池性能具有极大的影响：比表面积越大，电池的活性位点越多，相对的三相反应区也越大，电池性能越好；表面含氧官能团越多，电池的电化学反应活性越高，对电池也越有利。同时，燃料中的催化剂也是非常重要的一环，天然含有催化剂成分的碳燃料应得到更多的重视。对于直接碳燃料电池来说，燃料选择范围广这一优点应该得到更多的注意，不仅仅要继续使用传统碳资源(如煤等)，还要对生物质这一丰富而又廉价的可再生能源投入更多的关注，既可以实现发电利用，又可以减少我国每年季节性地因大量焚烧农作物带来的环境污染。总之，通过调控燃料的特性进一步提高直接碳燃料电池的性能仍然是一个需要持续深入研究的重要课题。