MCFC――燃料电池课件.ppt

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1、熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonateFuelCells,MCFC）工作原理：MCFC的概念是20世纪40年代提出来的50年代Broes等演示了世界上第一台MCFC80年代加压运行的MCFC开始运行MCFC的工作温度约6500C，余热利用价值高。所用的催化剂以镍为主，可以采用脱硫煤气或天然气为燃料。电池隔膜和电极均采用带铸方法制备，工艺成熟，易于批量生产。目前的主要问题是解决电池材料的抗熔盐腐蚀等技术问题，使电池使用寿命从现在的1~2万小时提高到4万小时，MCFC将很快商业化，作为分散电站或中央电站。MCFC的燃料气是H2，氧化剂是O2和CO2。当电池工作时，阳极

2、上的H2与从阴极区迁移过来的CO32-反应，生成CO2和H2O，同时将电子输送到外电路。阴极上O2和CO2与从外电路输送过来的电子结合、生成CO32-。电池的反应方程式如下：MCFC工作原理图MCFC工作原理图从上述方程式可以看出，不论阴阳极的反应历程如何，MCFC的发电过程实质上就是在熔融介质中氢的阳极氧化和氧的阴极还原的过程，其净效应是生成水。实际上CO2参与了阴极反应，因此，严格地讲，MCFC总电池反应式应以下式表示：由电极反应可知，MCFC的导电离子为CO３２－。在阴极CO2为反应物，在阳极CO2为产物。每通过两个法拉第常数的电量，就有1mol的CO2从阴极转移到阳极。为

3、保证MCFC连续稳定运行，要将在阳极产生的CO2返回到阴极。通常是将阳极室排出的尾气经燃烧后消除其中的H2和CO后，进行分离除水，然后再将CO2送回到阴极，即CO2再循环。MCFC的结构图MCFC单体及电池堆的结构在原理上与普通的叠层电池类似，但实际上要复杂得多。MCFC的主要特点：1）阴、阳极活性物质都是气体，电化学反应需要合适的气/固/液三相界面。因此，阴、阳电极必须采用特殊结构的三相多孔气体扩散电极，以利于气相传质、液相传质和电子传递过程的进行。2）两个单电池间的隔离板，既是电极集流体，又是单电池间的连接体。它把一个电池的燃料气与邻近电池的空气隔开，因此，它必须是优良的电子

4、导体并且不透气，在电池工作温度下及熔融碳酸盐存在时，在燃料气和氧化剂的环境中具有十分稳定的化学性能。此外，阴阳极集流体不仅要起到电子的传递作用，还要具有适当的结构，为空气和燃料气流提供通道。3）单电池和气体管道要实现良好的密封，以防止燃料气和氧化剂的泄漏。当电池在高压下工作时，电池堆应安放在压力容器中，使密封件两侧的压力差减至最小。4）熔融态的电解质必须保持在多孔惰性基体中，它既具有离子导电的功能，又有隔离燃料气和氧化剂的功能，在4kPa或更高的压力差下，气体不会穿透。在实用的MCFC中，燃料气并不是纯的氢气，而是由天然气、甲醇、石油、煤等转化产生的富氢燃料气。阴极氧化剂则是空气

5、与二氧化碳的混合物，其中还含有氮气。以烃类为燃料时，烃类要经过重整转化为氢和CO2有三种形式，重整器是MCFC系统的重要组成部分。目前有内部转化和外部转化两种方式。内部转化又区分为间接内部转化和直接内部转化。MCFC烃类燃料重整转化为氢和CO2的三种方式MCFC的主要优点：1）工作温度高，电极反应活化能小，不论氢的氧化还是氧的还原，都不需要高效催化剂，节省了贵金属的使用，降低了成本；2）可以使用CO含量高的燃料气，如煤制气；3）电池排放的余热温度高达673K之多，可用于底循环或回收利用，使总的热效率达到80％；4）可以不用水冷却，而用空气冷却，尤其适用于缺水的边远地区。MCFC的

6、主要缺点：1）高温及电解质强腐蚀性对电池各种材料的长期耐腐性有十分严格的要求，电池的寿命因而受到一定的限制2）单电池边缘的高温湿密封技术难度大，尤其是在阳极区，这里遭受严重的腐蚀。另外，熔融碳酸盐的一些固有问题，如冷却导致的龟裂等3）电池系统中需要有CO2循环，将阳极析出的CO2重新输送到阴极，这增加了系统结构上的复杂性电池隔膜：MCFC的核心部件，要求强度高、耐高温熔盐腐蚀、浸入熔盐电解质后能阻挡气体通过，并具有良好的离子导电性能。MCFC采用碱金属(Li、Na、K)的碳酸盐作为电解质，电池工作温度873－973K。在此温度下电解质呈熔融状态，载流子为碳酸根离子(CO32-)。

7、典型的电解质组成(质量分数)为62％Li2CO3十38％K2CO3）。目前普遍采用偏铝酸锂（LiAlO2)）制备隔膜。它具有很强的抗碳酸熔盐腐蚀的能力。电极的构成阳极MCFC的阳极由镍-铝(质量分数3％)合金制成。制作方法是：将Ni-AL(质量分数3％)合金粉、粘合剂、增塑剂、溶剂等在球磨机中研磨混合后，所得膏状物浇注在一带状物上，待溶剂干后，从带上剥下片子，然后，在还原气氛中先将有机物烧掉，再在大约1273K下进行烧结。阳极孔隙率50％-70％，厚度0.50-0.75mm，平均