熔融碳酸鹽燃�電池以熔融堿金屬碳酸鹽的混合物組成低共熔體系作電解質(zhì),以氧化鎳為正極、鎳為負(fù)極的一�燃料電池。其燃料用氫和一氧化�,氧化劑為空��
熔融碳酸鹽燃料電池主要是由陽(yáng)�、陰極、電解質(zhì)基底和集流板或雙極板�(gòu)�� 1、陽(yáng)� MCFC的陽(yáng)極催化劑最早采用銀和鉑,為降低成本,后�(lái)改用了導(dǎo)電性與電催化性能良好的鎳。但鎳被�(fā)�(xiàn)在MCFC的工作溫度與電池組裝力的作用下會(huì)�(fā)生燒�(jié)和蠕變現(xiàn)�,�(jìn)而MCFC采用了Ni-Cr或Ni-Al合金等作�(yáng)極的電催化劑。加�2%~10%Cr的目的是防止燒結(jié),但Ni-Cr�(yáng)極易�(fā)生蠕變。另�,Cr還能被電解質(zhì)鋰化,并消耗碳酸鹽,Cr的含量減少會(huì)減少電解�(zhì)的損�,但蠕變將增�。相比之下,Ni-Al�(yáng)極蠕變小,電解質(zhì)損失�,蠕變降低是由于合金中生成了� 2、陰� 熔融碳酸鹽燃料電池的陰極催化劑普遍采用氧化鎳。其典型的制備方法是將多孔鎳電極在電池升溫過(guò)程中就地氧化,而且部分被鋰�,形成非化學(xué)�(jì)量化合物,電極導(dǎo)電性極大提�。但�,這樣制備的NiO電極�(huì)�(chǎn)生膨脹,向外擠壓電池殼體,破壞殼體與電解�(zhì)基體之間的濕密封。改�(jìn)這一缺陷的方法有以下幾種� ?。╨)Ni電極先在電池外氧�,再到電池中摻Li;或氧化和摻Li都在電池外�(jìn)�� ?�?)直接用NiO粉�(jìn)行燒�(jié),在燒結(jié)前摻Li,或在電池中摻Li: ?�?)在空氣中燒�(jié)金屬鎳粉,使燒結(jié)和氧化同�(shí)完成� �4)在Ni電極中放置金屬絲�(wǎng)(或拉網(wǎng))以增強(qiáng)�(jié)�(gòu)的穩(wěn)定性等�� 3、電解質(zhì)基底 電解�(zhì)基底是MCFC的重要組成部�,它的使用也是MCFC的特征之一。電解質(zhì)基底由載體和碳酸鹽構(gòu)�,其中電解質(zhì)被固定在載體�(nèi)?;准仁请x子導(dǎo)體,又是�、陽(yáng)極隔板。它必須具備�(qiáng)度高,耐高溫熔鹽腐�,浸入熔鹽電解質(zhì)后能夠阻擋氣體通過(guò),而又具有良好的離子導(dǎo)電性能。其塑性可用于電池的氣體密�,防止氣體外�,即所謂“濕封�� �(dāng)電池的外殼為金屬�(shí),濕封是的氣體密封方�� 4、集流板(雙極板� 雙極板能夠分隔氧化劑和還原劑,并提供氣體的流�(dòng)通道,同�(shí)還起著集流導(dǎo)電的作用,因此也稱作集流板或隔離�。它一般采用不銹鋼(如SS316,SS310)制成。在電池工作�(huán)境中,陰極側(cè)的不銹鋼表面生成,其�(nèi)層又有氧化鉻,二者均起到鈍化膜的作用,減緩不銹鋼的腐蝕速度。SS310不銹鋼由于鉻鎳含量高于SS316,因而耐蝕性能更好。一般而言,陽(yáng)極側(cè)的腐蝕速度大于陰極�(cè)。雙極板腐蝕后的�(chǎn)物會(huì)�(dǎo)致接觸電阻增�,�(jìn)而引起電池的歐姆極化加劇。為減緩雙極板陽(yáng)極側(cè)的腐蝕速度,采取了在該�(cè)鍍鎳的措�。MCFC是靠浸入熔鹽的偏鋁酸埋隔膜密�,稱濕密�。為防止在濕密封處造成原電池腐�,雙極板的濕密封處通常采用鋁涂層�(jìn)行保�(hù)。在電池的_上作條件�,該涂層�(huì)生成致密的偏鋁酸鏗絕緣層� 5、電池整體結(jié)�(gòu) 熔融碳酸鹽燃料電池組均按壓濾�(jī)方式�(jìn)行組�,在隔膜兩側(cè)分置陰極和陽(yáng)�,再置雙極板,周而復(fù)始�(jìn)�,最終由單電池堆積成電池�。氧化氣體和燃料氣分別�(jìn)入各節(jié)電池孔道(稱氣體分布管),MCFC電池組的氣體分布管有兩種方式:內(nèi)氣體分布管和外氣體分布管。近年國(guó)外逐漸傾向采用�(nèi)分布管方�,并�(duì)其�(jìn)行了改�(jìn)。氧化與還原氣體在電池內(nèi)的相互流�(dòng)有并�、對(duì)流和�(cuò)流三種方式,人部分熔融碳酸鹽燃料電池采用�(cuò)流方��
陰 極: O2 + 2CO2 + 4e - �2CO32-
�(yáng) 極: 2H2 + 2CO32- → 2CO2 + 2H2O + 4e�
總反�(yīng): O2?。?H2 → 2H2O
(l)陰、陽(yáng)極的活性物�(zhì)都是氣體,電化學(xué)反應(yīng)需要合適的�/�/液三相界靀因�,陰、陽(yáng)電極必須采用特殊�(jié)�(gòu)的三相多孔氣體擴(kuò)散電�,以利于氣相傳質(zhì)、液相傳�(zhì)和電子傳遞過(guò)程的�(jìn)��
?�?)兩�(gè)單電池間的隔離板,既是電極集流體,又是單電池間的連接體。它把一�(gè)電池的燃料氣與鄰近電池的空氣隔開,因此,它必須是�(yōu)良的電子�(dǎo)體并且不透氣,在電池工作溫度下及熔融碳酸鹽存在時(shí),在燃料氣和氧化劑的�(huán)境中具有十分�(wěn)定的化學(xué)性能。此�,陰�(yáng)極集流體不僅要起到電子的傳遞作用,還要具有適�(dāng)?shù)慕Y(jié)�(gòu),為空氣和燃料氣流提供通道�
?�?)單電池和氣體管道要�(shí)�(xiàn)良好的密�,以防止燃料氣和氧化劑的泄漏。當(dāng)電池在高壓下工作�(shí),電池堆�(yīng)安放在壓力容器中,使密封件兩�(cè)的壓力差減至最??�
?�?)作為聚合物電池,熔融態(tài)的電解質(zhì)必須保持在多孔惰性基體中,它既具有離子導(dǎo)電的功能,義有隔離燃料氣和氧化劑的功�,在4KPa或更高的壓力差下,氣體不�(huì)穿��
在實(shí)用的MCFC中,燃料氣并不是純的氫氣,而是由天然氣、甲醇、石�、石腦油和煤等轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的富氫燃料氣。陰極氧化劑則是空氣與二氧化碳的混合�,其中還含有�?dú)?。因此,�(zhuǎn)化器是MCFC系統(tǒng)的重要組成部�,目前有�(nèi)部轉(zhuǎn)化和外部�(zhuǎn)化兩種方�。內(nèi)部轉(zhuǎn)化又區(qū)分為直接�(nèi)部轉(zhuǎn)化和間接�(nèi)部轉(zhuǎn)��
�(yōu)�(diǎn)�
�1)上作溫度高,電極反�(yīng)活化能小,無(wú)論氫的氧化或是氧的還�,都不需貴金屬作催化�,降低了成本�
?�?)可以使用含量高的燃料氣,如煤制��
?�?)電池排放的余熱溫度高達(dá)673K之多,可用于底循�(huán)或回收利�,使總的熱效率達(dá)�80%;
�4)可以不需用水冷卻,而用空氣冷卻代替,尤其適用于缺水的邊�(yuǎn)地區(qū)�
缺點(diǎn)�
?�?)高溫以及電解質(zhì)的強(qiáng)腐蝕性對(duì)電池各種材料的長(zhǎng)期耐腐蝕性能有十分嚴(yán)格的要求,電池的壽命也因此受到一定的限制�
�2)單電池邊緣的高溫濕密封難度�,尤其在�(yáng)極區(qū),這里遭受到嚴(yán)重的腐蝕。另外,熔融碳酸鹽的一些固有問(wèn)�,如由于冷卻�(dǎo)致的破裂�(wèn)題等�
?�?)電池系�(tǒng)中需要有循環(huán),將�(yáng)極析出的重新輸送到陰極,增加了系統(tǒng)�(jié)�(gòu)的復(fù)雜��
MCFC燃料電池可用�、天然氣作燃�,是未來(lái)綠色大型�(fā)電廠的模�。隨著MCFC燃料電池�(fā)電系�(tǒng)的一些關(guān)鍵性基�(chǔ)�(wèn)題的解決� MCFC的優(yōu)越性能正在越來(lái)越為人們所注目,將是未�(lái)最有前景的燃料電池�(fā)電系�(tǒng)。我�(guó)是貯煤和�(chǎn)煤大�(guó),及�(shí)重點(diǎn)開發(fā)MCFC燃料電池,將改變我國(guó)電力事業(yè)的落后狀況,降低�(huán)境污�,產(chǎn)生巨大的直接�(jīng)�(jì)效益和社�(huì)效益,對(duì)推動(dòng)�(guó)民經(jīng)�(jì)的發(fā)展帶�(lái)不可估量的作用。同�(shí)開展燃料電池�(fā)電系�(tǒng)研究可形成我�(guó)有自主知�(shí)�(chǎn)�(quán)的燃料電池產(chǎn)�(yè),增�(qiáng)�(guó)際競(jìng)�(zhēng)能力,促�(jìn)一批基�(chǔ)�(xué)科及交叉�(xué)科的�(fā)��
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