MCFC的工作原理
MCFC的電解質為熔融碳酸鹽,一般為鹼金屬Li、K、Na、Cs的碳酸鹽混合物,隔膜材料是LiAiO
2,正極和負極分別為添加鋰的
氧化鎳和多孔鎳。
MCFC的工作原理如右圖。
MCFC的電池反應如下:
由上述反應可知,MCFC的導電離子為
,CO
2在陰極為反應物,而在陽極為產物。實際上電池工作過程中CO
2在循環,即陽極產生的CO
2返回到陰極,以確保電池連續地工作。通常採用的方法是將陽極室排出來的尾氣經燃燒消除其中的H
2和CO,再分離除水,然後將CO
2返回到陰極循環使用。
MCFC的結構
MCFC的結構示意圖如右圖1。MCFC組裝方式是:隔膜兩側分別是陰極和陽極,再分別放上集流板和雙極板。MCFC電池組的結構如下圖2。按氣體分布方式可分為內氣體分布管式(a)和外氣體分布管式(b)。外分布管式電池組裝好後,在電池組與進氣管間要加入由LiAiO
2和ZrO
2製成的密封墊。由於電池組在工作時會發生形變,這種結構導致漏氣,同時在密封墊內還會發生電解質的遷移。鑒於它的缺點,內分布管式逐漸取代了外分布管,它克服了上述的缺點,但卻要犧牲極板的有效使用面積。在電池組內氧化氣體和還原氣體的相互流動有三種方式:並流、對流和錯流。
MCFC的特點
1、熔融碳酸鹽燃料電池的優點
熔融碳酸鹽燃料電池可以採用非貴重金屬作為催化劑,降低了使用成本。能夠耐受CO和CO2的作用,可採用富氫燃料。用鎳(Ni)或不鏽鋼作為電池的結構材料,材料容易獲得並且價格便宜。熔融碳酸鹽燃料電池為高溫型燃料電池,餘熱溫度高,餘熱可以充分利用。
2、熔融碳酸鹽燃料電池的缺點
以Li2CO3及k2CO3混合物做成電解質,在使用過程中會燒損和脆裂,降低了熔融碳酸鹽燃料電池的使用壽命,其強度與壽命還有待提高。在整個化學反應過程中,CO2要循環使用,從燃料電極排出的CO2要用經過催化除H2的處理後,再按一定的比例與空氣混合送入氧電極,CO2的循環系統增加了熔融碳酸鹽燃料電池的結構和控制的複雜性。
MCFC的材料
MCFC的材料包括電極材料、隔膜材料和雙極板材料。
1、電極材料
MCFC的電極是H2、CO氧化和O2 還原的場所,MCFC的電極必須具備兩個基本條件:①保證加速電化學反應,必須耐熔鹽腐蝕;②保證電解液在隔膜、陰極和陽極間的良好分配,電極與隔膜必須有適宜的孔度相配。
MCFC的陽極電催化劑經歷了Ag、Pt、Ni,主要採用Ni-Cr合金或Ni-Al合金。採用Ni取代Ag和Pt是為了降低電池成本,而演變為
鎳合金是為了防止鎳的蠕變現象。
MCFC的陰極材料有NiO、LiCOO2、LiMnO2、CuO和CeO2 等,由於NiO電極在MCFC工作過程中會緩慢溶解,同時還會被從隔膜滲透過來的氫還原而導致電池短路,所以LiCOO2等新型陰極材料正逐漸取代NiO。
2、隔膜材料
隔膜是MCFC的核心部件,必須具備高強度、耐高溫熔鹽腐蝕、浸入熔鹽電解質後能阻氣和具有良好的離子導電性能。MCFC的隔膜材料是LiAiO2,LiAiO2粉體有三種晶型,分別為α型 (六方晶系)、β型 (單斜晶系)和γ型 (四方晶系)。外形分別為球形、針狀和片狀,密度則分別3.400g·cm-3、2.610g·cm-3和2.615g·cm-3。
3、雙極板材料
MCFC的雙極板有三個主要作用:①隔開氧化劑(O2或空氣)與還原劑 (天然氣、重整氣);②提供氣體流動通道;③集流導電。MCFC的雙極板材料主要為不鏽鋼和各類鎳基合金。
MCFC的套用
MCFC在建立高效、環境友好的50~10000kW的分散電站方面具有顯著優勢。MCFC以天然氣、煤氣和各種碳氫化合物為燃料,可以實現減少40%以上的CO2排放,也可以實現熱電聯供或聯合循環發電,將燃料的有效利用率提高到70%~80%。
① 發電能力50kW左右的小型MCFC電站,主要用於地面通訊和氣象台站等。
② 發電能力在200~500kW的MCFC中型電站,可用於水面艦船、機車、醫院、海島和邊防的熱電聯供。
③ 發電能力在1000kW以上的MCFC大型電站,可與熱機聯合循環發電,作為區域性供電站,還可以與市電併網。