熔融碳酸盐燃料电池

MCFC的结构示意图如图2所示。MCFC组装方式是：隔膜两侧分别是阴极和阳极，再分别放上集流板和双极板。MCFC电池组的结构如图3所示。按气体分布方式可分为内气体分布管式（a）和外气体分布管式（b）。外分布管式电池组装好后，在电池组与进气管间要加入由LiAiO₂和ZrO₂制成的密封垫。由于电池组在工作时会发生形变，这种结构导致漏气，同时在密封垫内还会发生电解质的迁移。鉴于它的缺点，内分布管式逐渐取代了外分布管，它克服了上述的缺点，但却要牺牲极板的有效使用面积。在电池组内氧化气体和还原气体的相互流动有三种方式：并流、对流和错流。

1、熔融碳酸盐燃料电池的优点

熔融碳酸盐燃料电池可以采用非贵重金属作为催化剂，降低了使用成本。能够耐受CO和CO₂的作用，可采用富氢燃料。用镍(Ni）或不锈钢作为电池的结构材料，材料容易获得并且价格便宜。熔融碳酸盐燃料电池为高温型燃料电池，余热温度高，余热可以充分利用。

2、熔融碳酸盐燃料电池的缺点

以Li₂CO₃及k₂CO₃混合物做成电解质，在使用过程中会烧损和脆裂，降低了熔融碳酸盐燃料电池的使用寿命，其强度与寿命还有待提高。在整个化学反应过程中，CO₂要循环使用，从燃料电极排出的CO₂要用经过催化除H₂的处理后，再按一定的比例与空气混合送入氧电极，CO₂的循环系统增加了熔融碳酸盐燃料电池的结构和控制的复杂性。

MCFC的电解质为熔融碳酸盐，一般为碱金属Li、K、Na、Cs的碳酸盐混合物，隔膜材料是LiAiO₂，正极和负极分别为添加锂的氧化镍和多孔镍。

MCFC的工作原理如图1所示。

MCFC的电池反应如下：

阴极反应：

阳极反应：

电池反应：

由上述反应可知，MCFC的导电离子为

MCFC的材料包括电极材料、隔膜材料和双极板材料。

1、电极材料

MCFC的电极是H₂、CO氧化和O₂ 还原的场所，MCFC的电极必须具备两个基本条件:①保证加速电化学反应，必须耐熔盐腐蚀；②保证电解液在隔膜、阴极和阳极间的良好分配，电极与隔膜必须有适宜的孔度相配。

MCFC的阳极电催化剂经历了Ag、Pt、Ni，主要采用Ni-Cr合金或Ni-Al合金。采用Ni取代Ag和Pt是为了降低电池成本，而演变为镍合金是为了防止镍的蠕变现象。

MCFC的阴极材料有NiO、LiC_OO₂、LiMnO₂、CuO和CeO₂ 等，由于NiO电极在MCFC工作过程中会缓慢溶解，同时还会被从隔膜渗透过来的氢还原而导致电池短路，所以LiC_OO₂等新型阴极材料正逐渐取代NiO。

2、隔膜材料

隔膜是MCFC的核心部件，必须具备高强度、耐高温熔盐腐蚀、浸入熔盐电解质后能阻气和具有良好的离子导电性能。MCFC的隔膜材料是LiAiO₂，LiAiO₂粉体有三种晶型，分别为α型 （六方晶系）、β型 （单斜晶系）和γ型 （四方晶系）。外形分别为球形、针状和片状，密度则分别3.400g·cm^-3、2.610g·cm^-3和2.615g·cm^-3。

3、双极板材料

MCFC的双极板有三个主要作用：①隔开氧化剂（O₂或空气）与还原剂 （天然气、重整气）；②提供气体流动通道；③集流导电。MCFC的双极板材料主要为不锈钢和各类镍基合金。

MCFC在建立高效、环境友好的50~10000kW的分散电站方面具有显著优势。MCFC以天然气、煤气和各种碳氢化合物为燃料，可以实现减少40%以上的CO₂排放，也可以实现热电联供或联合循环发电，将燃料的有效利用率提高到70%~80%。

① 发电能力50kW左右的小型MCFC电站，主要用于地面通讯和气象台站等。

② 发电能力在200~500kW的MCFC中型电站，可用于水面舰船、机车、医院、海岛和边防的热电联供。

③ 发电能力在1000kW以上的MCFC大型电站，可与热机联合循环发电，作为区域性供电站，还可以与市电并网。

顶层循环系统作为热机热循环利用的组成构件，可有效将高温废热气体的热量转化为有用功并高效输出。在燃料电池中利用比较广泛。被誉为绿色能源的熔融碳酸盐燃料电池具有高效无污染的突出优点，是21世纪最有吸引力的发电方法之一，高品位的废热使得它可以和燃气轮机组成联合顶层循环系统，从而大幅度地提高装置整体效率，在分布式发电领域具有十分重要的意义。在IPSEPRO仿真环境下建立了顶层熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机联合顶层循环系统仿真模型。利用该模型对联合系统在额定工况和变工况下的稳态性能进行了仿真研究，并对平均电流密度、燃料利用系数等参数对系统性能的影响作了探讨。仿真结果表明，熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机联合顶层循环系统具有较高的发电效率，并具有良好的变负荷特性。

燃料电池作为继火电、水电、核电之后的第四代发电方式，被誉为21世纪清洁、高效的动力源，受到人们广泛的关注，燃料电池技术也在飞速地发展。

本书详细分析论述了燃料电池氢源技术、各种类型燃料电池的关键技术、发展现状与前景以及燃料电池电能输出技术。本书既在基本原理方面做了深入介绍，又总结了许多实践方面的经验；既突出了目前国际上发展迅速的质子交换膜燃料电池、甲醇燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池与固体氧化物燃料电池等几种燃料电池技术，又突出了制氢技术作为燃料电池发电方式基础的重要性以及电能输出的技术特点，同时还反映了近年来燃料电池技术的最新科技成果与未来发展方向。

本书既可作为从事燃料电池技术开发与研究的专业教师与研究人员的参考和指导用书，也可作为燃料电池技术爱好者的自学教材。

编辑推荐

本书作者具有20余年的燃料电池研究经历，对磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池以及固体氧化物燃料电池都有广泛的涉猎与独特的见解。可以说本书是作者多年研究结果的汇总，同时作者也收集了大量国内外最新研究成果与信息，希望展示给读者的是一本全面而新鲜的燃料电池技术读物。本书在介绍燃料电池的历史与发展的基础上，分析了各类燃料电池的特点，阐述了燃料电池的热力学与动力学原理和现代燃料电池研究方法。详细介绍了燃料电池的燃料与氧化剂的供给，其中重点论述了氢源技术。还分别介绍了几种不同类型燃料电池的工作特性与应用范围，给读者展示出多种燃料电池的原理与发展动向。