熔融碳酸鹽燃料電池材料

MCFC的材料包括電極材料、隔膜材料和雙極板材料。

1、電極材料

MCFC的電極是H₂、CO氧化和O₂ 還原的場所，MCFC的電極必須具備兩個基本條件:①保證加速電化學(xué)反應(yīng)，必須耐熔鹽腐蝕；②保證電解液在隔膜、陰極和陽極間的良好分配，電極與隔膜必須有適宜的孔度相配。

MCFC的陽極電催化劑經(jīng)歷了Ag、Pt、Ni，主要采用Ni-Cr合金或Ni-Al合金。采用Ni取代Ag和Pt是為了降低電池成本，而演變?yōu)殒嚭辖鹗菫榱朔乐规嚨娜渥儸F(xiàn)象。

MCFC的陰極材料有NiO、LiC_OO₂、LiMnO₂、CuO和CeO₂ 等，由于NiO電極在MCFC工作過程中會緩慢溶解，同時還會被從隔膜滲透過來的氫還原而導(dǎo)致電池短路，所以LiC_OO₂等新型陰極材料正逐漸取代NiO。

2、隔膜材料

隔膜是MCFC的核心部件，必須具備高強度、耐高溫熔鹽腐蝕、浸入熔鹽電解質(zhì)后能阻氣和具有良好的離子導(dǎo)電性能。MCFC的隔膜材料是LiAiO₂，LiAiO₂粉體有三種晶型，分別為α型 （六方晶系）、β型 （單斜晶系）和γ型 （四方晶系）。外形分別為球形、針狀和片狀，密度則分別3.400g·cm^-3、2.610g·cm^-3和2.615g·cm^-3。

3、雙極板材料

MCFC的雙極板有三個主要作用：①隔開氧化劑（O₂或空氣）與還原劑 （天然氣、重整氣）；②提供氣體流動通道；③集流導(dǎo)電。MCFC的雙極板材料主要為不銹鋼和各類鎳基合金。

1、熔融碳酸鹽燃料電池的優(yōu)點

熔融碳酸鹽燃料電池可以采用非貴重金屬作為催化劑，降低了使用成本。能夠耐受CO和CO₂的作用，可采用富氫燃料。用鎳(Ni）或不銹鋼作為電池的結(jié)構(gòu)材料，材料容易獲得并且價格便宜。熔融碳酸鹽燃料電池為高溫型燃料電池，余熱溫度高，余熱可以充分利用。

2、熔融碳酸鹽燃料電池的缺點

以Li₂CO₃及k₂CO₃混合物做成電解質(zhì)，在使用過程中會燒損和脆裂，降低了熔融碳酸鹽燃料電池的使用壽命，其強度與壽命還有待提高。在整個化學(xué)反應(yīng)過程中，CO₂要循環(huán)使用，從燃料電極排出的CO₂要用經(jīng)過催化除H₂的處理后，再按一定的比例與空氣混合送入氧電極，CO₂的循環(huán)系統(tǒng)增加了熔融碳酸鹽燃料電池的結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜性。

MCFC的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。MCFC組裝方式是：隔膜兩側(cè)分別是陰極和陽極，再分別放上集流板和雙極板。MCFC電池組的結(jié)構(gòu)如圖3所示。按氣體分布方式可分為內(nèi)氣體分布管式（a）和外氣體分布管式（b）。外分布管式電池組裝好后，在電池組與進(jìn)氣管間要加入由LiAiO₂和ZrO₂制成的密封墊。由于電池組在工作時會發(fā)生形變，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致漏氣，同時在密封墊內(nèi)還會發(fā)生電解質(zhì)的遷移。鑒于它的缺點，內(nèi)分布管式逐漸取代了外分布管，它克服了上述的缺點，但卻要犧牲極板的有效使用面積。在電池組內(nèi)氧化氣體和還原氣體的相互流動有三種方式：并流、對流和錯流。

MCFC的電解質(zhì)為熔融碳酸鹽，一般為堿金屬Li、K、Na、Cs的碳酸鹽混合物，隔膜材料是LiAiO₂，正極和負(fù)極分別為添加鋰的氧化鎳和多孔鎳。

MCFC的工作原理如圖1所示。

MCFC的電池反應(yīng)如下：

陰極反應(yīng)：

陽極反應(yīng)：

電池反應(yīng)：

由上述反應(yīng)可知，MCFC的導(dǎo)電離子為

MCFC在建立高效、環(huán)境友好的50~10000kW的分散電站方面具有顯著優(yōu)勢。MCFC以天然氣、煤氣和各種碳?xì)浠衔餅槿剂?，可以實現(xiàn)減少40%以上的CO₂排放，也可以實現(xiàn)熱電聯(lián)供或聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，將燃料的有效利用率提高到70%~80%。

① 發(fā)電能力50kW左右的小型MCFC電站，主要用于地面通訊和氣象臺站等。

② 發(fā)電能力在200~500kW的MCFC中型電站，可用于水面艦船、機車、醫(yī)院、海島和邊防的熱電聯(lián)供。

③ 發(fā)電能力在1000kW以上的MCFC大型電站，可與熱機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，作為區(qū)域性供電站，還可以與市電并網(wǎng)。

頂層循環(huán)系統(tǒng)作為熱機熱循環(huán)利用的組成構(gòu)件，可有效將高溫廢熱氣體的熱量轉(zhuǎn)化為有用功并高效輸出。在燃料電池中利用比較廣泛。被譽為綠色能源的熔融碳酸鹽燃料電池具有高效無污染的突出優(yōu)點，是21世紀(jì)最有吸引力的發(fā)電方法之一，高品位的廢熱使得它可以和燃?xì)廨啓C組成聯(lián)合頂層循環(huán)系統(tǒng)，從而大幅度地提高裝置整體效率，在分布式發(fā)電領(lǐng)域具有十分重要的意義。在IPSEPRO仿真環(huán)境下建立了頂層熔融碳酸鹽燃料電池/微型燃?xì)廨啓C聯(lián)合頂層循環(huán)系統(tǒng)仿真模型。利用該模型對聯(lián)合系統(tǒng)在額定工況和變工況下的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了仿真研究，并對平均電流密度、燃料利用系數(shù)等參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響作了探討。仿真結(jié)果表明，熔融碳酸鹽燃料電池/微型燃?xì)廨啓C聯(lián)合頂層循環(huán)系統(tǒng)具有較高的發(fā)電效率，并具有良好的變負(fù)荷特性。

燃料電池作為繼火電、水電、核電之后的第四代發(fā)電方式，被譽為21世紀(jì)清潔、高效的動力源，受到人們廣泛的關(guān)注，燃料電池技術(shù)也在飛速地發(fā)展。

本書詳細(xì)分析論述了燃料電池氫源技術(shù)、各種類型燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展現(xiàn)狀與前景以及燃料電池電能輸出技術(shù)。本書既在基本原理方面做了深入介紹，又總結(jié)了許多實踐方面的經(jīng)驗；既突出了目前國際上發(fā)展迅速的質(zhì)子交換膜燃料電池、甲醇燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池與固體氧化物燃料電池等幾種燃料電池技術(shù)，又突出了制氫技術(shù)作為燃料電池發(fā)電方式基礎(chǔ)的重要性以及電能輸出的技術(shù)特點，同時還反映了近年來燃料電池技術(shù)的最新科技成果與未來發(fā)展方向。

本書既可作為從事燃料電池技術(shù)開發(fā)與研究的專業(yè)教師與研究人員的參考和指導(dǎo)用書，也可作為燃料電池技術(shù)愛好者的自學(xué)教材。

編輯推薦

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