洁净煤技术第11章燃料电池

1、第十一章 燃料电池第一节 导 论一、蠕料电池原理与特点燃料电池(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。它的发电方式与常规化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料(如氢等)的氧化过程，阴极催化氧化剂(如氧等)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的回路。在电池内这一化学能向电能的转化过程等温进行，即在FC内，可在其操作温度下利用化学反应的自由能。但是，FC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，而是贮存在电池外的贮罐内，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

2、时也需排出一定废热，以维持电池工作温度的恒定。FC本身只决定输出功率的大小，而贮存的能量则由燃料和氧化剂的贮罐决定。FC等温地直接将化学能转化为电能，不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，因此能量转换效率高。氢氧FC效率已达60%70%，以油、天然气造气的间接型氢空FC效率已达42%，中高温FC可望达到50%70%，明显优于火电站的效率。FC的输出功率由电池性能、电极面积和电池个数决定。多个电池组间可进行串联和并联以增加发电功率。所以FC电厂具有“积木”特性，能依据需要建造各种不同功率的电厂。FC的能量转换效率与装置规模无关。在运行过程中，负荷变，其能量转换效率并无大幅度的变化，采用FC供电，无

3、需调峰，在低负荷工作时，其效率反而略有升高。因此FC电厂特别适于分散建立，在热电联供时，燃料的总利用率可高达80%以上。FC电厂是一种清洁型发电装置，即使是高温FC，在运行时NOx的排放量也仅十几个ppm，几乎不排放SOx，CO2排放量也明显减少。FC电厂运行时噪声低，距FC l0米处，噪声一般低于55分贝。由于FC具有上述明显优点，国外在5060年代曾呈现第一个研制高潮，那时侧重发展碱性氢氧FC(AFC)。到70年代末，由于材料、电催化等科学进展和世界性能源紧缺，以及环境污染的加剧推动，FC研究又出现第二个高潮。这次侧重发展磷酸型燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)和固体氧

4、化物型燃料电池(SOFC)。1983年东京4500kWPAFC电厂的成功运行，又大大促进了国外对FC研究的投入。为适应军工、电动汽车、潜艇和水下机器人等对高比功率，可移动动力源的需求，80年代初国外又大力开发离子交换膜型燃料电池(PEMFC)。二、FC(燃料电池)的分类FC通常按工作电解质的类型进行分类，五种主要类型FC的简况见表11-1。表11-1第二节 国内外发展现状一、国外燃料电池发展状况60年代，美国首先成功地将燃料电池用于航天飞行，作为航天飞机和飞船上主电源，以后美国与西方各国将燃料电池研究重点转向民用发电和作为汽车与潜艇的动力源。目前，国际上公认的燃料电池大体上可分为五类；技术现状

5、简述如下：(一)碱性燃料电池(AFC)10kW级的高性能碱性燃料电池(AFC)是美国航天飞机的主要电源，迄今已应用近20年，被证明为安全可靠的电源。燃料电池用于宇航载人飞行时，电池反应生成的水经过净化可供宇航员饮用；其供氧分系统亦可与生保供氧分系统互为备份，美国宇航局(NASA)在19621978年间投资L 7亿美元发展航天用碱性燃料电池，电池组至少可连续工作2500小时不需维护。欧洲Hermer空间渡船计划也决定采用AFC为电源，由德国SiemensAG负责研制，预计在90年代后期用于空间渡船首航。然而，由于这种系统造价昂贵并不适于用含CO2空气作氧化剂，故不适用于地面。早期将AFC用于汽车

6、及潜艇动力的尝试已不再继续。但用作卫星空间站高效储能电池的再生式碱性燃料电池(RFC)仍在研制中，以期代替现用的Ni-Cd、Ni-H2电池。(二)磷酸型燃料电池(PAFC)PAFC以天然气、石油或甲醇重整气为燃料，空气为氧化剂。美国是PAFC技术开发的主要国家，现已建造了1MW，4.5MW和7.5MW的电站。进入80年代，由于日本的财力和需要，现场实验工作主要在日本进行。目前日本东芝公司与美国联合技术公司已组成国际燃料电池公司(IFC)，1991年建成llMW的电站，并于1992年再建20个同等功率的半商品性电站出售。这表明PAFC技术已成熟，达到半商品化的程度。PAFC商品化的主要技术问题，

7、一是需要进一步简化系统，提高可靠性：二是提高生产的自动化水平，降低PAFC的建造费用。目前，由于销售数量有限，售价高达$3500kW。此价不仅高于国际大型火电站建造费用$8001300kW，也高于MCFC电站的预计价格$1500kW。而且由于它的运行温度仅有200左右，余热利用价值低，电催化剂需要贵金属，不耐受一氧化碳，运行中又可能发生烧结，造成电池性能下降和寿命缩短；大功率PAFC运行的维持费用昂贵。基于上述原因，目前国外研究开发的重点是建造费用低并可用脱硫煤气作燃料的第二代燃料电池MCFC。(三)熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)MCFC工作的温度约600，余热利用价值高，电催化剂无需使用贵

8、金属，目前以雷尼镍和氧化镍为主。它可用脱硫煤气作燃料；与PAFC相比，MCFC具有更高的热效率，而且有可能实现电池内重整，简化系统；与SOFC相比，MCFC的部件材料，结构设计，密封方式来得简单，工程放大较为容易。成为80年代以来美、日、欧主要发展的民用发电技术。美国发展MCFC的目的主要是与煤造气技术联合，建造数兆瓦的中心电站，以改变美国的燃料结构。作为该发展计划的第一步，是建造100kW以天然气为燃料的电站，在旧金I山附近的太平洋气体和电力公司的研究开发设备上安装运行。美国能量研究公司(ERC)于1991年与22家动力企业签订合同，支持2MWMCFC电站的开发，并计划于19941996年试

9、运行，然后再建50个2MW(效率为57%60%电站。这类2MW电站的最终售价估算为$750950kW，与建造火力电站的费用相当。ERC已于1991年成立了燃料电池工程公司(Fucl Cell Engineering Corp)，及燃料电池制造公司(Fuel Cell Manufacturing Corp)。已有2MW电池组的生产能力，并计划扩至5MW。与此同时，由美国能源部资助，美国煤气技术研究所(1GT)创立了熔融碳酸盐动力公司(M-C Power Corp)，已具有年产3MWMCFC电池组的生产能力，计划扩展到12MW年。日本能源科学计划“月光计划”研究MCFC的进度是：19811983年

10、，电池部件研究；19841986年，10kW电池研究；19871990年，50100kW电池研究；19921995年，1000kW电池研究；1989年由日立公司完成25kWMCFC电站的试验。荷兰已决定发展MCFC，研究重点是材料及其相关的制造技术。依靠国际合作，荷兰已于1989年建成lkW电池组，于1990年组装2.5kW，1991年组装10kW的电站。意大利Ansaldo与美国IFC签订了有关MCFC技术协议，引进安装了一套单池面积达lm2的自动化生产设备，年生产能力23MW。将于1996年中建成100kW级MCFC试验电站。预计投资$5200万与西班牙合作进行的发展MCFC计划(Molc

11、are计划)，到2l世纪初建成MW级商业试运行电站。MCFC已成为美、日、欧发展的重点，其目标是电站连续运行寿命4万小时，电站投资10001200美元kW，发电成本7.5美分kW.h。目前主要的问题已接近解决，已进入建立百千瓦电站的实验阶段，本世纪末可进行兆瓦级电站试运行，21世纪初可望达到商品化程度。(四)固体氧化物型燃料电池(SOFC)SOFC的工作温度为9001000，能提供优质的余热，利于煤汽化联合运转，可用含有一氧化碳的煤气作燃料，耐硫、热电效率高(约60%)等优点。美国西屋电气公司的管型SOFC研究处于世界领先地位，19931994年已在南加州进行20kW电池演示试验，日本从西屋引

12、进了技术，1993年已对25kW电池进行了试运转。但这种管型电池的管状电解质易于龟裂，并不利于放大。因此美国阿贡国家实验室又开始了波纹板SOFC研究，这种结构易制作大面积，大功率SOFC电池，但目前工艺复杂，造价昂贵。德国SIEMENS公司已开始进行平板型SOFC研究，1995年开发出10kW的电池组；采用分离条块状结构，较好地解决了材料热应力问题。总之，SOFC电池目前由于材料、制备技术和选型方面诸多技术问题，国外正处在技术攻关阶段，但它是以煤造气为燃料最理想的电池。(五)离子交换膜型燃料电池(PEMFC)PEMFC的工作温度低，一般为60100，它以全氟化的磺酸型固体聚合物为电解质，h为电

13、催化剂，纯氢为燃料，空气为氧化剂。该电池可室温启动，无腐蚀问题，同时电池寿命长，电极工作电流密度高，一般可达几百毫安每平方厘米，高时可达几个安培每平方厘米。同时电池比功率高，特别适合作为军用可移动电源如潜艇，深潜器，战地用电源等，也是电汽车的候选电源之一。美国通用电器公司在60年代就将PEMFC电池用于双子星座航天飞行。但当时这种电池有两大缺点，一是电催化剂h用量特高，达每平方厘米重几十毫克；二是电池寿命短，其原因是膜在运行过程中降解。进入80年代，由于美国、加拿大等国科技人员的努力，PEMFC取得了突破性进展。一是采用立体化概念，将电催化剂h用量降到每平方厘米0.10.5毫克。二是采用薄的全

14、氟化的磺酸膜，不但提高了电池性能而且还解决了电池寿命问题。美国政府依据克林顿总统于1993年2月提出的“清洁汽车”计划，于1994年拨款1200万美元，发展PEMFC电池。加拿大Ballard电子系统公司已试验丁105kW级PEMFC，并装备了公共汽车，于1993年在温哥华科技展览会上展出。美国已用PEMFC电池组(约5kW)作Perry公司水下机器人电源、两人深潜器电源。德国在原已试验100kW级石棉膜型氢氧燃料电池基础上，也转向开发PEMFC作为潜艇的动力源。加拿大于1994年6月拨款370万加元研制40kW级PEMFC；19972000年拨款3000万加元研制300kW级PEMFC用于潜

15、艇AIP动力系统。近年来，国外已经开始研究直接甲醇离子交换膜燃料电池(DMFC)，它使用液体燃料(甲醇)，使燃料的运输和储存方便，电池系统简化。美国政府已直接投入1500万美元进行应用基础研究。二、国内燃料电池发履状况早在50年代末中科院长春应用化学研究所就开始了燃料电池的研究。主要由于航天事业的推动，70年代国内曾掀起一次研究燃料电池的高潮，研究工作主要集中在碱性氢氧燃料电池，参加的单位主要有中科院大连化学物理研究所，天津1418所，长春应化所，以及武汉大学等。其中中科院大连化学物理研究所和天津1418所均各自研制成功航天用的0.51.0kW石棉膜型氢氧燃料电池系统。大连化物所研制的电池A型

16、以纯氢纯氧为燃料和氧化剂，带有水回收与净化系统。B型以N2H4分解气为燃料，空分氧为氧化剂。这两种类型的燃料电池系统均通过了例行的航天环模实验，并通过了由中科院主持，有全国同行参加的鉴定会。长春应化所研制过1000W H2-O2通讯兵用燃料电池。为适应海军的要求，70年代大连化学物理研究所还研制了10kW，20kW以NH3分解造气为燃料的大功率氢氧燃料电池。“七五”期间，大连化学物理研究所还承接了kW级水下机器人用的氢氧燃料电池科研攻关任务并顺利完成，通过了专家组的验收。“八五”期间，长春应化所受中科院和吉林省科委资助开始研究电动车用离子交换膜型燃料电池。另外，还开展了MCFC中电解质支持体和

17、二元系统熔盐的初步研究。适于民用发电的燃料电池PAFC、MCFC和SOFC，迄今国内尚未正式立项，但已有少数单位进行过理论研究与探索实验。如在19871991年间哈尔滨电站设备成套设计研究所曾进行MCFC的探索研究，实测小电池的发电效率为47.2%。中科院上海硅酸盐所，开展一些SOFC的研究工作。中科院北京化冶所正着手引进俄萝斯的SOFC技术，促进我国的SOFC技术的发展。1993年，大连化物所由所长基金资助扎万元，开展了MCFC研究，1994年中科院将MCFC列为院重点项目，投资50万元加以支持，目前，大连化学物理研究所已完成LiAl02隔膜材料的制备，小电池设计及评价装置的建立；单电池性能

18、已达到日本80年代中期水平，正准备开展百瓦级MCFC装置的研制；另外，大化所还开展了PEMFC技术的研究，利用国产膜组装PEMFC电池性能达0.7V，1000AM2；利用美国产NAFIONll7膜组装PEMFC电池性能达0.7V，5000AM2；目前正准备利用AFC技术积累进行电池放大和寿命考察。第三节 熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)一、MCFC的工作原理燃料电池是一种高效，清洁的发电装置，在环境污染日趋严重的今天，尤为引人注目，作为燃料电池的一种，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的优点是：工作温度600700，余热利用价值高，电催化剂为非贵金属，可用脱硫煤气作燃料，社会和经济效益显著。美、日

19、和西欧等国相继投入巨资开展这项研究。MCFC的工作原理及电池结构如图11-1、11-2所示，其电极反应如下： 阴极反应； O2+2CO2-+-4 e-2CO32- (1) 阳极反应： 2H2+2CO32-4e-+2C02+2H20 (2) 总反应： O2+2H22H20 (3)图11-1 MCFC工作原理示意图 图11-2 MCFC结构示意MCFC的概念最早出现在40年代，50年代Broers等人演示了世界上第一台MCFC，80年代加压工作的MCFC开始运行。国外从事MCFC研究的主要是美国，日本和西欧的一些国家。二、主要单元部件及制备工艺(一)隔膜MCFC由阴极，阳极和隔膜构成，其中隔膜是电

20、池的核心部件，它必须强度高，能耐高温熔盐腐蚀，浸入熔融碳酸盐电解质后阻气，它的好坏直接影响着电池的成败。MCFC隔膜材料最早采用MgO，然而MgO在高温熔盐中发生溶解。研究结果表明LiAl02具有很强的抗碳酸熔盐腐蚀能力，因而目前国外普遍采用LiAlO2作电池隔膜材料。LiAl02有和三种晶形，分别属于六方，单斜和四方晶系，它们的密度分别为3.400，2.610和2.615gcm3，外形分别为球状，针状和片状。根据毛细管公式，气体进入半径为r的亲液毛细管的临界压力Pex为：Pex2cosr (4),固液相之间的界面张力和接触角。已知电解质盐62mo1.%Li2CO3+38mol，%K2C03(

21、熔点490)在LiAl02上完全润湿，(0，0.198Nm，显然由等式(4)计算得，LiAl02隔膜要耐一个大气压(0.1MPa)的压差，隔膜孔径不得超过3.96bm。由于在电池工作温度650C时，LiAlO2粉体不发生烧结，隔膜是由LiAl02粉体堆积而成，因此要保证隔膜孔径不超过3.96m，LiAl02粉体的粒度应尽量小，须严格控制在一定的范围以内。 LiAl02由A1203和Li2CO3混合(摩尔比1：1)，600700温焙烧制得，其反应式为：Al2O3+Li2CO32LiAl02+C02 (5)图11-3为Al2O3与Li203反应热失重曲线，图11-4为不同反应温度产物的X射线衍射图

22、谱。图11-3 Al2O3与Li203混料（摩尔比1：1）热失重曲线由图11-4可知，当温度为450时，虽然反应混合物中大部分是A1203和Li2CO3，但在衍射角(2)分别为18.78，37.66，45.3和59.34时，已经出现少量型LiAl02衍射强峰，说明反应已经开始，当温度为600时，在衍射角(2)为65.08，66.82和 70.06处，也出现了型LiAl02衍射强峰，从图中可以观察到，此时反应混合物中大部分是型LiAl02，另外还有少量A1203和Li2CO3，同时有少量丁型LiAl02产生。当温度升至700C，反应混合物中A1203和Li2CO3消失，只剩下大部分型LiAl02

23、和少量型LiAl02产物。图11-4 不同温度和时间焙烧产物X射线衍射图谱将LiAl02粉料与造孔剂如聚乙烯醇缩丁醛和软化剂如甘油，并加入一定量的消泡剂如油酸等，也可加入百分之几的Li2CO3和K2CO3盐。在有机溶剂如正丁醇，异丙醇等混均，制成一定粘度流体，在玻璃板或有机薄膜上浇铸成一定厚度的薄膜，再慢慢将溶剂蒸发，可将24张这种膜热压合在一起，构成湿态的基膜。一般将经压合的湿态基膜与电极组装入电池，在电池启动升温过程中，烧掉造孔剂和软化剂，得最终的LiAl02隔膜。(二)电极电极是氢气或一氧化碳氧化和氧还原的场所，催化剂加速这些电化反应的进行，称电催化剂。MCFC一般以烧结镍为电极。其制备

24、工艺与制LiAl02隔膜工艺一样。仅将LiAl02粉料换为由羰基镍制备的镍粉。并调整造孔剂和软化剂的成份配比即可。制成的电极基膜，一般在200300烧掉造孔剂与软化剂之后，还要在还原气氛如氢气中加热至900进行焙烧。电极与隔膜孔径匹配关系见图11-5。图11-5 电极与膜孔径匹配关系标准MCFC部件的孔径分布变化：(a)360小时后；(b)1776小时后(三)极板或分隔板极板起分隔氧化气体如氧气和还原气体如氢气，并构成气体流动通道的作用。同时，还起集流与导电的作用。MCFC的极板一般用310#或316#钢板冲压制成。图11-6为用冲压方法制造的MCFC极板。图11-6 MCFC极板直凹线活化面

25、积厚度：0.020英寸间距：0.200英寸高度0.100英寸：三、电池组结构FC电池组均是按压滤机方式进行组装的，在隔膜两侧分置阴极和阳极，再置极板，周而复始进行，MCFC电池靠浸入熔盐的LiAiO2隔膜密封，通称湿密封。氧化气体如空气和燃料如煤气进入各对电池孔道称气体分布管(manifold)，对MCFC电池组有两种方式，一种为内气体分布管如图11-7中a，另一种为外气体分布管式如图11-7中b。对外分布管，在电池组装好后，在电池组与进气管间要加入由LiAiO2和ZrO2制成的密封垫。这种结构由于电池组在工作时发生形变，导致漏气，同时电解质在这层密封垫内还能发生迁移，改变各对电池电解质组成。

26、因此近年国外逐渐偏向采用内气体分布管，但这种结构会导致极板有效工作面积减少。图11-8为改进型内气体分布管电池结构图。图11-7 MCFC电池组成气体分布管结构(a)内气体分布管；(b)外气体分布管注意：对于同样尺寸的电池组，电池组(a)的活化面积比电池组(b)要小。图11-8 改进型内气体分布管的MCFC电池结构氧化与还原气体在电池内相互流动方式有对流，并流和错流三种方式，大部分MCFC电池采用错流方式。图11-9与11-10分别为日本日立公司和石川岛播重工业公司组装的lOOkW MCFC电池组的结构示意图。图11-9 日立公司错流式100kW 电池组和250kW原理型电池组示意图图11-1

27、0 石川岛播重工业公司组装的100kW MCFC电池组的示意图四、电池系统FC电厂一般由核心燃料电池组(堆)分系统，燃料气生成与净化，热动力回收与电源调节。电厂控制四个分系统构成，其方块图见图11-11。图11-11 FC电厂构成方块图五、MCFC研究尚需解决的关键问题(一)阴极溶解问题MCFC阴极为锂化的NiO，随电极长期工作运行，阴极在熔盐电解质中将发生熔解，熔解产生的Ni2+扩散进入到电池隔膜中，被隔膜阳极一侧渗透过来的H2还原成金属Ni而沉积在隔膜中导致电池短路，其阴极溶解短路机理如下所示：NiO+C02Ni2+CO32- (6)Ni2+C032-十H2Ni+C02+H20 (7)Pl

28、omp等人的研究结果表明，以NiO作电池阴极，电池每工作1000小时，阴极的重量和厚度损失将达3%，当气体工作压力为1个大气压时，阴极寿命为25000小时，当气体工作压力为7个大气压时，阴极寿命仅3500小时。为提高阴极抗熔盐电解质腐蚀能力，国外普遍采取的方法有：(1)向电解质盐中加入碱土类金属盐，如BaCO3，SrCO3以抑止NiO的溶解。 (2)向阴极中加入Co，Ag或LaO等稀土氧化物。 (3)以LiFeO2，LiMnO3或LiCoO2等作电池阴极材料。 (4)以SnO2，Sb203，CeO2，CuO和NiO等材料作电池阴极。 (5)改变熔盐电解质的组分配比，以减缓NiO溶解。 (6)降

29、低气体工作压力，以降低阴极溶解速度。 在以上几种方法中，比较成功的方法是以LiCoO2作电池阴极以代替NiO。 以LiCoO2作电池阴极，其阴极溶解机理为： LiCoO2+1/2 C02-COO+1/402+1/2 Li2CO3 (8)比较反应(6)式和(7)式可知，若以PO2和PCO2分别代表阴极O2和CO2气体分压，则以NiO作阴极，其溶解速度和PCO成正比；而以LiCoO2作阴极，阴极溶解速度和P(C02)1/2 、P(O2)-1/4成正比。显然后者的溶解速度远远低于前者。据估计LiCoO2阴极在气体工作压力为1个大气压和7个大气压时，其寿命分别为150000小时和90000小时，显然M

30、CFC要进入工业化生产，阴极最好采用LiCoO2。(二)阳极蠕变问题MCFC阳极最早采用烧结Ni作电极，然而由于MCFC是一种高温燃料电池，在这样高的温度下，在还原气氛中Ni将发生蠕变，从而影响丁电池密封和电池性能。为提高阳极的抗蠕变性能和机械强度，国外采用了以下几种方法：1.向Ni阳极中加入Cr，A1等元素形成Ni-Cr，Nl-Al合金，以达到弥散强化的目的。2.向Ni阳极中加入非金属氧化物如LiAl02和SrTiO3，利用非金属氧化物良好的抗高温蠕变性能对阳极进行强化。3.在超细LiAl02或SrTiO3表面上化学镀帚层Ni或Cu，然后将化学镀后的LiAl02或SrTiO3热压烧结成电极，

31、由于以非金属氧化物作为“陶瓷核”，这种电极的抗蠕变性能很好。目前国外普遍采用NlCr或NlAl合金作MCFC阳极。(三)熔盐电解质对电池双极板材料的腐蚀MCFC双极板通常使用的材料是SUS310或SUS316等不锈钢材料，这种材料目前工作几千小时是没问题的，但要实用化就必须能耐40000小时以上的工作时间，为提高双极板的抗腐蚀性能，国外采用了以下几种方法：1.在双极板材料表面包覆一层Ni或Ni-Cr-Fe耐热合金，或在双极板表面上镀Al或Co。镀A1的目的是让A1在与熔盐电解质接触时，形成极为稳定的LiAl02膜，提高其抗腐蚀性能；镀Cr的目的在于让Cr在熔盐电解质中形成稳定的铬酸锂膜，这种膜

32、单独存在时，防蚀性不太好，但要与A1或A1合金及A1的氧化物共存时耐蚀性较好。镀Co的目的是因为Co能改善铁系材料与LiCrO2或LiAl02的附着性能。2.在双极板表面先形成一层NiO，然后与阳极接触的部分再镀一层镍铁酸盐铬合金层，在这里NiO起导电作用，铁酸盐铬层起抗腐蚀作用。3.以气密性好，强度高的石墨板作电池极板。目前普遍采用的双极板防腐措施是在双极板导电部分包覆Ni-Cr-Fe-A1耐热合金，在非导电部分如密封面和公用管道部分镀Al。(四)电解液流失问题随MCFC运转工作时间加长，熔盐电解质将按以下几种路径发生流失：1.阴极溶解阴极在电解质中溶解将导致熔盐电解质中一部分锂盐流失。2.

33、阳极腐蚀Ni-CI.阳极中的Cr将在熔盐电解质中发生一定的腐蚀，生成LiCrO2，从而导致一部分Li盐损失。3双极板腐蚀双极板腐蚀将导致一部分熔盐电解质中的锂盐损失。4熔盐电解质蒸发损失熔盐电解质中的钾盐蒸汽压低，易蒸发掉发生流失，导致电池运转过程中电解质逐渐减少。5.由于电池公用管道电解导致电池内部电解质迁移(爬盐)。造成电解质流失。一般来讲，对于外公用管道型MCFC，这种方式的盐流失比较严重；而内公用管道型MCFC，这种方式的盐流失极少。为防止盐流失，国外在电池结构设计上，都增加了补盐设计，如在电极或极板上加工制成一部分沟槽，用在沟槽中贮存电解质的方法进行补盐，以使盐流失的影响降低到最低程

34、度。(五)稳定，可靠，工艺廉价的膜和电极制备工艺MCFC的膜和电极制备方法最早采用热压法，目前国外普遍采用的是带铸法，带铸法制备的膜和电极厚度薄，易于放大，有利于大规模工业生产，存在的问题是工艺过程中要使用有机毒性溶剂，从而给环境带来污染。为克服这一问题，国外正在尝试采用水溶剂体系。(六)电池结构及系统的优化与设计MCPC按气体流动方式分有并流式，对流式和错流式；按重整方式分有内重整式和外重整式；按气体进出管路分有外公用管道式和内公用管道式。MCFC内部进行的是一个十分复杂的传质，传热和电化学反应过程，其结构与系统的优化与设计是一个十分重要的问题，必须加以认真考虑和解决。六、结语能以脱硫煤气为

35、燃料的MCFC现已成为美日欧发展的重点，其主要的技术问题已接近解决，进入建立101000kW电站的实验阶段，预计本世纪末可进行兆瓦级电站的试验运行，21世纪初可接近商业化，其造价$10001500kW，稍高于大型火电站建造费用。若能将这种MCFC与煤造气技术结合，建成大型电站，将获得相当大的社会效益和经济效益。中科院大连化物所的近二年探索实验已取得较好的结果，小电池性能已达到国际80年代末报道水平。以煤造气为燃料的MCFC在建造501000kW分散型电站方面有明显的优势，为满足边远地区、海岛，和特种部门对这类高效，无污染电源的需求，国家应资助MCFC的工程开发与应用基础研究，利用510年时间攻

36、下501000kWMCFC电厂的主要技术难关，并形成自己的技术特色与专利，参加国际MCFC技术开发，为21世纪建立以煤造气为燃料的MCFC电站奠定技术基础。第四节 固体氧化物型燃料电池(SOFC)SOFC阳极厚100200m，多孔结构，催化剂为镍。固体电解质为氧化钇稳定化的氧化锆，组成为(Y203)0.1(ZrO2)0.9。阴极为钙钛矿型的亚锰酸镧，组成为SrxLa1-xMnO3，x=0.10.2。SOFC可采用煤气或天然气作燃料，工作温度为900IOOOC，能提供优质余热，热电效率高，因采用固体电解质，所以无腐蚀问题，可望实现长寿命运行，是一种理想的燃料电池发电装置。至今开发的SOFC有三种结构：管式、平板式和瓦棱式(monolithic)。管式技术较成熟，但后两种形式更适于建造大功率的电厂。一、SOFC原理与结构由于SOFC工作温度高，它可以CH4、CO、H2等作燃料，阳极电化学反应为：H2+02-H20+2e-CO+02-C02+2e-CH4+402-CO2+2H20+8e- 等阴极反应为：02+4e-202-O2-在电解质YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)内迁移，电子沿外电路运行，并作功，构成总的电的回路。SOFC的管型和平板型结构如图11-12、11-13所示。图11-12 管式SOFC结构 图11-13 平板型SOFC结构二、隔