07《新能源材料》06熔融碳酸盐燃料电池.ppt

1、熔融碳酸盐燃料电池制备,熔融碳酸盐型燃料电池Molten Carbonate Fuel Cell,工作原理,熔融碳酸盐燃料电池采用碱金属(Li、Na、K)的碳酸盐作为电解质，电池工作温度为650700，电解质呈熔融状态，导电离子为碳酸根离子(CO32-)。 以氢气为燃料，氧气空气为氧化剂。 阴极上氧气和二氧化碳与外电路输送过来的电子结合，生成碳酸根离子。 阳极上的氢气则与电解质隔膜迁移来的碳酸根离子反应，生成二氧化碳和水，将电子输送到外电路。,MCFC与其他燃料电池的区别在于反应中需用CO2 ， CO2在阴极消耗，在阳极重新生成，循环使用。 在实用的MCFC中，燃料气并不是纯氢气，而是由天然气

2、、甲烷、石油、煤气等转化产生的富氢燃料气。,熔融碳酸盐燃料电池的优点Molten Carbonate Fuel Cell,工作温度高，不需要铂系催化剂 高工作温度加速了化学反应速度，减少了极化损失。 排出的废热温度高，可直接驱动燃气轮机蒸汽轮机进行复合发电，进一步提高发电效率，总效率更可达70%，适合于中央集中型发电厂。 对燃料的纯度要求相对较低。 设备相对简单。,在MCFC方面，美国主要由FCE(Fuel Cell Energy)公司开发，已经实现早期商业化，进入发电电源市场，联合发电效率55的电池模块，销售价格为35004000$kW。 FCE进行250kW、1MW、2MW常压内部改质型M

3、CFC的开发，并为德国MTU公司制造了250kW的电池。 FCE公司主打产品为DFC300型250kW MCFC发电模块，售价100万美元左右。图为DFC300的外貌。,板式MCFC电池组件,板式设计的组件。 联接到两电极上的槽形双极板形成气体通道，作为连接电池阳极和阴极的电连接器，也作为隔离燃料和氧化剂气体的双极气体分离器。,MCFC单电池,MCFC单电池由燃料极(阳极，Ni多孔体)、空气极(阴极，NiO多孔体)和电解质板(一般是浸注Li和K的混合碳酸盐LiAlO2多孔性陶瓷)组成。,MCFC电堆,由一组电极和电解质板构成的单体电池工作时输出电压为0.60.8伏，电流密度约150200mA

4、/cm2 。 为获得高电压，将多个单电池串联，构成电堆。 相邻单电池用金属隔板隔开，隔板起上下单电池串联和气体流路作用。 电堆安装在圆形或矩形的装置中。,MCFC发电系统,燃料电池本体不能工作，必须有一套辅助系统。 辅助系统：燃料预处理系统、电能转换系统、热量回收系统等。,MCFC发电辅助系统,MCFC燃气轮机汽轮机联合发电,MCFC 发电系统可独立运行,单独运行时效率相对较低。 实行燃料电池、 燃气轮机和汽轮机联合发电, 可提高燃料利用率和电厂综合效率(60% 80% ) , 降低电能成本。,电解质材料,电解质材料：典型的电解质组成是62%Li2CO3+38%K2CO3,多孔陶瓷电解质隔膜基

5、板材料LiAlO2,隔膜基板材料LiAlO2在高温条件下有很好的长期化学和物理稳定性、好的机械强度和价格较低等优点。,用带铸法制备LiAlO2隔膜。粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，总有机物质量分数一般为18%28%。隔膜留有一定量的微孔，孔隙率约为11%，其表面微孔形态如图。,烧结时LIAIO2隔膜粉粒发生重排，由此引起隔膜最大孔径随烧结时间 变化。曲线1的隔膜最大孔径最大值比曲线2的小，说明组装压力下浸满电解质烧结隔膜最大孔径较小。,由于微粒曲率半径小于大粒子的曲率半径，微粒表面的化学位和所受压缩应力高于大粒子表面的化学位和所受压缩应力，同时颈区所受剩余拉伸应力来自微粒的成分大于来自大粒子

6、的剩余拉伸应力。所以在微粒上所进行的迁移速率高于在大粒子上所进行的.随之微粒变小，最终变为一大粒子，进而微孔变为大孔。,电极材料,阴极（空气电极）,阳极（燃料电极）,双极板材料,阴极,MCFC阴极一般采用多孔 NiO。它是多孔金属 Ni 在电池升温过程中经高温氧化而成。,压力对 MCFC性能的影响,对采用 NiO作阳极的 MCFC，NiO的溶解速度与 p CO2成正比。当气体压力提高 , p 升高 ,NiO 溶解速度加快。要使 MCFC在较高气体压力下工作 ,应当以 LiCoO2作阴极 ,其溶解速度较小。,压力对 MCFC性能的影响,对采用 NiO作阳极的 MCFC，NiO的溶解速度与 p C

7、O2成正比。当气体压力提高 , p 升高 ,NiO 溶解速度加快。要使 MCFC在较高气体压力下工作 ,应当以 LiCoO2作阴极 ,其溶解速度较小。,温度对 MCFC性能的影响,大多数碳酸盐在低于 520 时不为熔融状态。 在 575650 之间 ，电池性能随温度增加而提高。 高于 650 ，增益随温度增加而减小。 高温下蒸发和材料的腐蚀使电解质的损失增加 ，工作温度影响性能和寿命。,温度对 MCFC性能的影响,温度的变化还将影响燃料气体的平衡组成 ，进而改变可逆电动势。 在电池工作状态下 ，温度变化时电池电压的变化主要是由欧姆极化和电极极化造成的。,阳极,MCFC 阳极一般采用 Ni-Cr

8、、Ni-Al 合金。 典型的阳极环境气氛是 80%H2 -20%CO2 ，并经 60 水湿化处理 。 阳极材料的腐蚀问题。合金材料的腐蚀导致接触电阻增大，电解质损失。 Ni-Cr、Ni-Al 阳极材料成本偏高 ，改进制造方法以减少材料用量 ，并寻找更廉价的阳极材料。,双极板材料,双极板兼作电池集流器和隔离板，集流器连接隔离板和电极 ,而隔离板分离单体电池。 它主要起三种作用 ：一是将阳极气氛与阴极气氛分离，二是提供单体电池之间的电接触，三是提供一个密封区。 作为双极板材料,要求其表面腐蚀产物具有良好导电性 ,同时腐蚀产物在熔盐电解质中具有低的溶解度 。 由于较好的力学性能及成本较低 ,目前双极

9、板材料一般采用不锈钢,但它们的耐腐蚀性能远满足不了实用化要求。,双极板材料,双极板材料面临三种不同的腐蚀环境即阴极区、阳极区和湿封区。某一种材料或涂层难以满足不同的腐蚀环境。 湿封区对导电性无要求 , 一般采用 Al 化物涂层。70 m的 Al 涂层在电池工作过程中 Al 被氧化成Al2O3。 阳极一侧双极板 , 一般采用 Ni 涂层。尽管不锈钢在阳极环境中腐蚀严重 ,但 Ni在阳极环境中的腐蚀程度却明显轻于阴极环境。 阴极一侧双极板 , 一般采用 TiN、TiC 和 Ce 基陶瓷涂层。,（1）碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell, AFC）,（2）质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel