熔融碳酸盐燃料电池MCFC

熔融碳酸盐燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池（MCFCMCFC）） 一、一、MCFCMCFC 概述概述 1 1．．1 1 燃料电池简述燃料电池简述 燃料电池FC是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的 发电装置，结构如图 1-1 所示。它的发电方式与常规的化学电源一样，电极提供 电子转移的场所，阳极催化燃料如氢的氧化过程，阴极催化氧化剂如氧的还 原过程， 导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成 总的电回路。 在电池内这一化学能向电能的转化过程等温进行， 即在燃料电池内， 可在其操作温度下利用化学反应的自由能。但是，燃料电池的工作方式又与常规 的化学电源不同，它的燃料和氧化剂并非贮存在电池内。同汽油发电机相似，它 的燃料和氧化剂都贮存在电池之外的贮罐中。当电池工作时，要连续不断地向电 池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时排出一定的废热，以维持电池温度 的恒定。 燃料电池本身只决定输出功率的大小，其贮能量则由燃料罐和氧化剂罐 的贮量决定。总体上，燃料电池具有以下特点 l 不受卡诺循环限制，能量转换效率高。 2 燃料电池的输出功率由单电池性能、电极面积和单电池个数决定。 3 环保问题少。 4 负荷应答速度快，运行质量高。 图图 1-1 1-1 燃料电池结构示意图燃料电池结构示意图 由于 FC 具有以上显著的优点，在 5060 年代呈现第一个研制高峰，那时侧 重于发展碱性 FC，尽管后来未曾象预期的那样在交通工具及大型电厂获得应用， 但是 FC 在航天飞行中取得的成功足以证明它所具有的突出优点。70 年代初，由 于投资减少，FC 研究进入低潮。70 年代末，由于材料科学的进展和世界性的能 源紧缺，开发新的发电技术，提高石油、天然气和煤炭等矿物燃料的利用率又成 为人们关注并具有深远意义的课题，这样 FC 研究又呈现第二个高潮，此时则侧 重于发展磷酸盐燃料电池PAFC、 熔融碳酸盐燃料电池MCFC和固体氧化物燃料 电池SOFC。现在，燃料电池作为继水力、火力和原子能之后的第四代电源止受 到世界的瞩目。 1 1．．2 2 熔融碳酸盐燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池（MCFCMCFC）） 熔融碳酸盐燃料电池Molten Carbonate Fuel Cell，首字母缩写为 MCFC， 通常被称为第二代燃料电池， 因为预期它将继磷酸盐燃料电池之后进入商业化阶 段。MCFC 的工作温度为 873923K，因而，与低温燃料电池相比，有几个潜在优 势。首先，在 MCFC 的工作温度下，燃料如天然气的重整可在电池堆内部进行， 既降低了系统成本，又提高了效率;其次，电池反应高温余热可用于工业加工或 锅炉循环;第三，几乎所有燃料重整都产生CO，它可使低温燃料电池电极催化剂 中毒，但却可成为MCFC 的燃料。MCFC 的缺点是在其工作温度下，电解质的腐蚀 性强，阴极需不断供应 CO2。 MCFC 的研究开发始于 1950 年，其后近半个世纪时间内，在电极反应机理、 电池材料、电池性能和制造技术等方面，均取得了巨大进展，规模不断扩大，几 年前即己达到 100kw 水平，目前已达到 2502000kw。 与低温燃料电池相比，MCFC 的成本和效率很有竞争力。PAFC 和 PEMFC 都需 要贵金属催化剂，重整富氢燃料中的 CO 也需要去除。而在高温，H2 的反应活性 高， 可以使用非贵金属作电化学催化剂。 尽管提高反应温度使电池理论效率降低， 但同时也降低了过电位损失，实际效率是提高了。 MCFC 的工作温度足够产生有价值的余热，又不至于有过高的自由能损失 MCFC 的理论开路电压比 SOFC 高 100mV。余热可被用来压缩反应气体以提高电 池性能;用于燃料的吸热重整反应;用于锅炉，或用于供暖。 MCFC 的一个最主要优点是可以内部重整。甲烷的重整反应可以在阳极反应 室进行，重整反应所需热量由电池反应提供。在内部重整的 MCFC 中，空速较低， 重整反应速率很适当。但硫和微量碳酸盐可使重整催化剂中毒。 目前 MCFC 已初步进入商品化阶段，它将成为未来大型发电的主力之一。尽 管 MCFC 在反应动力学上有明显的优势，但其高温运行带来的熔盐腐蚀和密封等 问题，阻碍了它的快速发展。 二、二、MCFCMCFC 发电原理及特性发电原理及特性 2 2．．1 1 发电原理发电原理 熔融碳酸盐燃料电池采用碱金属如 Li、Na、K的碳酸盐作为电解质，电池 工作温度为 873-973K。在此工作温度，电解质呈熔融状态，载流子为碳酸根离 2-CO 3 K COLi CO 子。典型的电解质由摩尔分数 62 233823 熔点 763K组 HOCO 2 H 成。MCFC 的燃料气为 2，氧化剂是2和 。当电池工作时，阳极上的 2与 2-CO 3 CO 2 H 2O 从阴极区迁移过来的反应，生成和，同时将电子输送到外电路;而 2-CO 3 O 2 CO 2 阴极上的和与从外电路输送过来的电子结合，生成碳酸根离子，反 应方程式如下 阳极 或 H 2 CO 3  H 2O CO2 2e 2-CO CO 3  2CO 2 2e CO H 2O 2CO2 2e 1 2-CO 2 O 2 2e CO 3 2 阴极 1 H 2 O 2 H 2O 2 总反应 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过程，其净效应是生成水。 熔融碳酸盐燃料电池与其他类型燃料电池的电极反应有所不同在阴极， CO 2为反应物，在阳极，CO2为产物，从而 CO 2在电池工作过程中构成了一个循 CO 2 环。为确保电池稳定连续地工作，必须将阳极产生的 的办法是将阳极室所排出的尾气经燃烧消除其中的 然后再将 CO 2 返回到阴极，通常采用 H 2和 CO 后，进行分离除水， 送回至阴极。 2 2．．2 2 电池系统特性电池系统特性 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。它的主要特点为 l阴、阳极的活性物质都是气体，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， 义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