摘要：直接碳燃料电池（DCFC）有望成为有效利用碳资源的有用装置。本文提出一种圆柱形熔融碳酸盐DCFC（TMC-DCFC），并对其基本性能进行了研究。此外，还建立了一种制造TMC-DCFC的方法。TMC-DCFC的性能分析结果表明，与平面MCFC相比，其阳极过电压极大。但是，在100mA/cm²时，TMC-DCFC的电压效率为74.6%，能量转换效率较高。在800℃下进行连续发电试验后证实，TMC-DCF实现了约1.0V和100mW/cm2的24小时稳定发电。阳极出口检测到大量CO，可以认为是由燃料中的固体碳与阳极产生的CO₂之间的反向布多阿尔反应生成的。根据所消耗的碳进行计算后可知，TMC-DCFC的电效率为26.6%。这些结果显示了TMC-DCFC的现状，将有助于电池性能的提高。

关键字：直接碳燃料电池、圆柱形电池、熔融碳酸盐、生物质、废物转化

背景

为了实现低碳社会，需要生物质等有效利用技术，但现有的生物质发电系统在数十kW规模下的发电效率最高为30%左右。此外，近年来，碳循环技术不断被开发，未来也有可能将固体碳用作燃料。另一方面，直接碳燃料电池（DCMC）虽有望作为数十kW以下的小规模且高效率的发电技术，但是在固体碳燃料的供给和发电性能等方面仍存在课题，因此尚未被实用化。

目的

制作圆柱形熔融碳酸盐DCFC（圆柱形DCFC）作为能够解决燃料供给等现有课题的新DCFC，并评估其基本发电特性。

主要成果

1.圆柱形DCFC的制作

基于日本能源技术研究所的独特技术、即圆柱形熔融碳酸盐燃料电池（圆柱形MCFC）的制造方法，制作了可插入构成发电装置的燃料槽中的圆柱形DCFC（图1）。由此，能够连续供给固体碳燃料和氧化剂气体（图2）。

图1 所制圆柱形DCFC的电池结构

图2 圆柱形DCFC的发电装置图

2.圆柱形DCFC的基本发电特性评估

为了评估圆柱形DCFC的基本发电特性，使用固体碳燃料（活性炭）与Li/Na碳酸盐混合的燃料混合物进行发电试验。

●根据MCFC性能参数[1]分析所得圆柱形DCFC的性能，结果表明，尽管与MCFC相比，DCFC的阳极过电压较大（图3），但在电流密度为100mA/cm²时的电压效率^注1）为74.6％，电池性能非常高。

注1）电压效率=电池电压/开路电压×100[%]

图3 平板形MCFC与圆柱形DCFC的性能分析结果的比较

●在800℃下进行连续发电试验，圆柱形DCFC与现有DCFC（电池电压0.40-0.95V左右，输出密度20-70mW/cm²左右）相比，可实现更高的电压（1.0V）和输出密度（约100mW/cm²）（图4），以及24小时稳定发电。

图4 与现有DCFC文献报告的连续发电时的输出比较

3.圆柱形DCFC的发电效率估算

进行估算后可知，相对于所消耗的固体碳的热量（100%），圆柱形DCFC的发电效率（直流发电端）为26.6%（图5），除发电反应外，吸热反应也会生成CO，存在消耗固体碳的问题。

图5 以连续发电试验为基础的圆柱形DCFC的能量收支

前景展望

未来的目标为，在圆柱形DCFC中，通过优化温度等运行条件来抑制CO生成反应等，从而提高发电效率。

参考文献：

[1] H. Morita et al.. Performance analysis of molten carbonate fuel cell using a Li/Na electrolyte. J. Power Sources. 2002, vol. 112, p. 509-518.

使用圆柱形电池的熔融碳酸盐直接碳燃料电池的基本特性