第五章燃料电池之熔融碳酸盐燃料电池-6
熔融碳酸盐燃料电池
集流体/隔离板
目前在大多数设计中，都将集流体、隔离板和气体 通道这几个功能件由一个金属构件来完成。
集流体的一边与阴极和氧化剂接触，另一边与阳极 和燃料气接触，称之为双极性集流体。
双极性集流体和电解质基板边缘之间靠电解质张力
实现湿密封，防止气体流出。
双极性集流体一般都用不锈钢(如316，310)做成，在 电池工作环境中，阴极侧的不锈钢表面生成LiFeO2， 其内层又有氧化铬，均可起到钝化膜的作用，减缓不 锈钢腐蚀速度。由于310的铬镍含量高于316，因此它
MCFC的主要优点：
1）工作温度高（650 ℃），电极反应活化能小，不论氢 的氧化还是氧的还原，都不需要高效催化剂，节省了贵金 属的使用，降低了成本； 2）可以使用CO含量高的燃料气，如煤制气； 3）电池排放的余热温度高达 673K之多，可用于底循环或 回收利用，使总的热效率达到80％； 4 ）可以不用水冷却，而用空气冷却，尤其适用于缺水的 边远地区。
持在4kPa以下，以防气体越过电解质基板。
3 ）温度：虽然 MCFC 的开路电压随温度上升而下
降，但由于温度升高，熔盐电阻下降，特别是阴极
反应电阻大大下降，因而电池的工作电压随温度上
升而增高，从这个角度讲，温度升高是有利的。
下图为电池开路电压、闭路电压 (150mA/cm2) 与工
作温度的关系。
的耐腐性能更好。
阳极侧的不锈钢腐蚀速度大于阴极侧，尤其是 316 。
因此，目前只考虑用镍、铜或铬/不锈钢双金属复合板
制作双极性集流体（双极板）。
影响MCFC系统性能的主要因素
1）CO2分压
CO2是MCFC阴极活性物质，又是阳极反应的产物。 在阴极区和阳极区与电解质呈平衡的CO2分压是不 同的，当利用能斯待方程计算电池的电动势时，电 池电动势是有差别的。加大阴极区CO2分压，可使 电池电动势增加，即要使电池正常工作，必须提供 足够量的CO2 。
熔融碳酸盐燃料电池工作原理
熔融碳酸盐燃料电池工作原理熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）是一种高温燃料电池，其原理基于碳酸盐的导电性质。
相比其他类型的燃料电池，MCFC具有较高的效率和较低的碳排放，因此被广泛研究和应用于能源领域。
MCFC的工作原理涉及到碳酸盐的离子导电性。
碳酸盐是一种能够在高温下导电的化合物，当温度达到一定程度时，碳酸盐会分解成离子，其中包括氧离子（O2-）和碳酸根离子（CO3^-2）。
这些离子在高温下能够在固体内部移动，因此MCFC的电解质通常由熔融碳酸盐组成。
MCFC的电解质通常由锂钡钠碳酸盐（LiBaNaCO3）等熔融盐混合物构成。
在高温下，这些盐会熔化形成液态电解质。
液态电解质中的离子能够在固体电极（阳极和阴极）之间进行传导，从而形成电流。
MCFC的阳极和阴极通常由钴氧化物和镍氧化物等催化剂构成。
在阳极处，燃料（如氢气或甲烷）被供应，并与来自外部电路的电子反应产生氢离子（H+）。
这些氢离子在液态电解质中移动，穿过电解质层，到达阴极。
在阴极处，氢离子与氧气反应生成水（H2O）。
同时，阴极上的电子通过外部电路流回阳极，与燃料供应电路相连。
这个过程产生的电子流就是MCFC的输出电流。
MCFC的工作温度通常在600℃到700℃之间，这是为了保证碳酸盐的离子导电性。
高温下，碳酸盐能够快速分解和重新组合，从而实现高效的离子传导。
此外，高温还有助于提高催化剂的反应活性，从而提高电池的效率。
与其他类型的燃料电池相比，MCFC具有几个优势。
首先，MCFC 不受氢气纯度的限制，可以直接使用含有杂质的燃料，如甲烷等。
其次，MCFC的效率较高，可以达到60%以上，比传统的发电方式更加节能环保。
此外，MCFC的碳排放量也相对较低，对环境的影响较小。
然而，MCFC也存在一些挑战和限制。
首先，高温对材料的要求较高，需要耐高温和化学稳定性的材料来构建电池。
此外，高温下的操作和维护也会增加系统的复杂性和成本。
熔融碳酸盐燃料电池工作原理
熔融碳酸盐燃料电池工作原理MCFC的主要组成部分包括阳极、阴极和电解质。
阳极和阴极之间是电解质层，它通常由碳酸盐盐（比如碳酸钠、碳酸锂等）形成的熔融电解质组成。
阳极和阴极则是由催化剂（如镍）覆盖的多孔金属材料构成。
工作过程中，熔融的碳酸盐电解质使得碳酸盐离子变得可以移动。
在阳极一侧，燃料（通常为天然气、煤气或生物气体等）进入电池，通过一个气体分解反应，产生氢气和二氧化碳。
这个反应由阳极上的催化剂促进。
氢气离子自由通过电解质层向阴极一侧迁移。
同时，二氧化碳被碳酸根离子吸收并转化为碳酸根离子。
在阴极一侧，氢气和碳酸根离子相结合，通过氧化反应还原成水和二氧化碳。
整个过程中，氢气的氧化反应释放出电子，这些电子通过外部电路流动，产生电流和电力。
电力可以被电池用于供电，也可以通过外部连接导出供应给其他设备或系统。
同时，电子的流动也导致负离子（碳酸根离子）与正离子（氢气离子）的迁移，维持了电池的整体电中性。
MCFC的优点有很多。
首先，熔融碳酸盐电解质的高温度使得电池的性能更高。
高温下，氢气的氧化速度更快，反应更活跃，可以提供更高的输出功率密度。
其次，MCFC使用非贵金属催化剂，制造成本相对较低。
此外，MCFC还具有高效能，废热可以被回收利用，产生低级能量。
然而，MCFC也有一些挑战和缺点。
首先，高温环境下，电池的乘数变高，维护和故障排除的成本较高。
此外，由于碳酸盐电解质的易溶性，使用寿命较短。
此外，使用碳酸盐电解质会产生二氧化碳，可能导致环境污染。
总的来说，熔融碳酸盐燃料电池是一种高温燃料电池，具有高效能、高输出功率密度和低制造成本的特点。
它可以用于电力和热能产生，为未来能源领域提供了一个可行的解决方案。
甲醇燃料电池熔融碳酸盐
甲醇燃料电池熔融碳酸盐
（最新版）
目录
1.甲醇燃料电池的概述
2.熔融碳酸盐的作用和特点
3.甲醇燃料电池与熔融碳酸盐的结合
4.甲醇燃料电池熔融碳酸盐的优势与应用前景
正文
一、甲醇燃料电池的概述
甲醇燃料电池是一种新型的燃料电池，它利用甲醇作为燃料，通过氧化还原反应产生电能。
相较于传统的氢燃料电池，甲醇燃料电池具有更高的能量密度，更低的成本，以及更易于储存和运输的优势。
因此，甲醇燃料电池被认为是未来可持续能源领域的重要发展方向之一。
二、熔融碳酸盐的作用和特点
熔融碳酸盐是一种特殊的电解质，其主要作用是在燃料电池中传递离子，促进电化学反应的进行。
与传统的液态电解质相比，熔融碳酸盐具有更高的离子传导性能和更低的电阻，可以有效提高燃料电池的能量转换效率。
此外，熔融碳酸盐还具有良好的热稳定性和化学稳定性，可以提高燃料电池的寿命和可靠性。
三、甲醇燃料电池与熔融碳酸盐的结合
将熔融碳酸盐应用于甲醇燃料电池，可以充分发挥两者的优势。
熔融碳酸盐的高离子传导性能和低电阻可以有效提高甲醇燃料电池的能量转换效率，从而提高电池的性能。
同时，熔融碳酸盐的热稳定性和化学稳定性也有助于提高甲醇燃料电池的寿命和可靠性。
四、甲醇燃料电池熔融碳酸盐的优势与应用前景
甲醇燃料电池熔融碳酸盐的结合具有很大的优势，其高效的能量转换和稳定的电池性能使其在众多领域具有广泛的应用前景。
例如，在交通运输领域，甲醇燃料电池熔融碳酸盐可以应用于电动汽车、公交车等，以实现绿色出行。
07《新能源材料》06熔融碳酸盐燃料电池
阴极
MCFC阴极一般采用多孔 NiO。 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。 在电池升温过程中经高温氧化而成。
压力对 MCFC性能的影响 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 NiO作阳极的 MCFC，NiO的溶解速度与 CO2成正比。 溶解速度加快。 MCFC在较高气体压力 压力提高 , p 升高 ,NiO 溶解速度加快。要使 MCFC在较高气体压力 LiCoO2 其溶解速度较小。 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 MCFC性能的影响
大多数碳酸盐在低于 520 ℃时不为熔融状态。 时不为熔融状态。 在 575～650 ℃之间 ，电池性能随温度增加而提高。 575～ 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。 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。 度影响性能和寿命。
压力对 MCFC性能的影响 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 NiO作阳极的 MCFC，NiO的溶解速度与 CO2成正比。 溶解速度加快。 MCFC在较高气体压力 压力提高 , p 升高 ,NiO 溶解速度加快。要使 MCFC在较高气体压力 LiCoO2 其溶解速度较小。 下工作 ,应当以 LiCoO2作阴极 ,其溶解速度较小。
MCFC发电系统 MCFC发电系统
燃料电统、热量回 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发电辅助系统
MCFC—燃气轮机— MCFC—燃气轮机—汽轮机联合发电
熔盐燃料电池
图. 理想燃料电池与实际燃料电池电压－电流特性
• 燃料电池实际的转换效率
实际
nF nF Ei ( E a c IR) H H
对一个实际的氢氧燃料电池，在i=2A/m2时，端电 压为0.9V。则实际转换效率为：
real
2 96500 0.9 0.72 Nhomakorabea41950
燃料电池的历史（续）
• 1889年蒙德（Mond）和莱格（Langer）首先采 用了燃料电池这个名称。 • 发电机的发明，使人们对燃料电池的兴趣推迟了 ６０年。 • ５０年代，培根成功制造出第一个燃料电池。 • ６０年代，国际燃料电池公司为阿波罗飞船开发 出1.5kW的燃料电池。之后开发出16kW的燃料电 池。
MCFC-阳极
• • • • 耐受熔盐的腐蚀 良好的电催化性能 气体阻挡屏障 电解质容器
1975年左右 现在
1965年左右 Pt、Pb或Ni
Ni－Cr（10％） Ni-Cr／Ni-Al, 孔径3-6微米 初始孔隙率45-70％, 厚度0.20-1.5mm, 0.1-1m2/g
MCFC-阴极
• 高电导率 • 高机械强度 • 耐受熔盐腐蚀-低溶解度
The alkaline fuel cell system as used on the space shuttles before the switch to PEM. Three such modules were installed in each shuttle.
燃料电池的优缺点
优点： • 高效率（100%理论效率，对高温系统，效率可 达80%） • 低噪声 • 不产生有害气体和废物 • 重量轻，可用于移动设备 • 输出可调节 • 维护成本低 • 低负载效率稳定 缺点 • 反应速率低，因而输出功率和电流低 • 获得氢或存储氢有困难
固体氧化物燃料电池熔盐碳酸盐燃料电池
氢能
“喝”氢的汽车
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燃料电池 燃料电池的概念是由蒙德(Mond)和莱格 和莱格(Langer)于1889年首先提出 燃料电池的概念是由蒙德 和莱格 于 年 来的。就在这时内燃机问世了， 来的。就在这时内燃机问世了，内燃机的发明使人们对燃料电池的兴趣 推迟了60年 推迟了 年。 1959年培根研制成功氢氧燃料电池，他对燃料电池的研究工作，奠 年培根研制成功氢氧燃料电池，他对燃料电池的研究工作， 定了燃料电池发展的基础。 世纪 年代，随着航天技术的发展， 世纪60年代 定了燃料电池发展的基础。20世纪 年代，随着航天技术的发展，美国 对培根氢氧燃料电池进行了改进，并分别于1965年和 年和1966年成功的将其 对培根氢氧燃料电池进行了改进，并分别于 年和 年成功的将其 应用于双子星座和阿波罗飞船上 为其提供电力。 应用于双子星座和阿波罗飞船上，为其提供电力。 双子星座和阿波罗飞船 20世纪 年代，因中东战争导致两次世界性石油危机，80年代美国、 世纪70年代 因中东战争导致两次世界性石油危机， 年代美国 年代美国、 世纪 年代， 加拿大、 加拿大、日本和欧洲等的世界发达国家投入大量人力和财力研究开发燃 料电池， 年代燃料电池实现燃料技术上的真正突破 料电池，在90年代燃料电池实现燃料技术上的真正突破，佳能、松下、 年代燃料电池实现燃料技术上的真正突破，佳能、松下、 三星、东芝都发布了自己的产品，燃料电池进入了应用阶段。 三星、东芝都发布了自己的产品，燃料电池进入了应用阶段。
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第五章燃料电池之熔融碳酸盐燃料电池-6
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MCFC的燃料气是 H2，氧化剂是O2和CO2。当电池工 作时，阳极上的H2与从阴极区迁移过来的CO32-反应， 生成 CO 2 和 H 2 O ，同时将电子输送到外电路。阴极上 O2和CO2与从外电路输送过来的电子结合、生成CO32-。 电池的反应方程式如下：
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（2）隔膜材料 隔膜是MCFC的核心部件，必须具备高 强度、耐高温熔盐腐蚀、浸入熔盐电解质后能阻气和具有 良好的离子导电性能。目前MCFC的隔膜材料是LiAlO2， LiAlO2粉体有三种晶型：分别为型（六方晶系）、β型 （单斜晶系）和γ型（四方晶系）。外形分别为球形、针 状和片状，密度则分别为3.400g/cm³ 、2.610 g/cm³ 和2.615 g/cm³ 。早期使用的MgO隔膜已被淘汰。 （3）双极板材料 MCFC的双极板有三个主要作用：① 隔开氧化剂（O2或空气）与还原剂（天然气、重整气）； ②提供气体流动通道；③集流导电。 MCFC的双极板材料主要为不锈钢（如310#或316#）和各 类镍基合金。
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MCFC发电厂在主要技术路线上有以下几方面选择：
(1)燃料是天然气、煤制气还是其它； (2)转化方式； (3)在常压还是加压下工作； (4) 输入阳极的水汽是由阳极废气分离出的水提供，还 是将一部分阳极废气直接送回到阳极 ( 前者称为蒸汽分 离法，后者称为阳极气再循环法)；
影响电池性能和寿命的因素影响因素温度压力反应气体组分和利用率电流密度电解质的成分和电解板结构气体中杂质硫化物卤化物氮化物固态颗粒微尘种类潜在影响硫化物电压损失通过so2与电解质反应卤化物腐蚀与电解质反应氮化物通过nox与电解质反应微尘堵塞气体通路中南大与工程学院中南大学冶金科学与工程学院电厂系统构成与与pafc及sofc相比mcfc的发电效率最高
熔融碳酸盐燃料电池原理
熔融碳酸盐燃料电池原理MCFC的工作温度通常在600℃到700℃之间，相较于低温燃料电池，高温使得MCFC能够更好地处理燃料污染物，例如二氧化碳和硫化物。
此外，高温有助于提高反应速率和电导率，增强电池性能。
MCFC的核心部件有两个电极：一个阴极和一个阳极。
熔融碳酸盐溶液被用作电解质，阴极和阳极被浸泡在这个溶液中。
在MCFC中，燃料（如天然气或煤气）和氧气同时进入电池。
在阳极上，气体（通常为二氧化碳和水蒸气）被催化剂分解成碳气体（气态的一氧化碳和二氧化碳）和氢气离子。
这些氢气离子通过电解质传导到阴极。
在阴极上，氢气离子与氧气反应生成水蒸气和碳酸根离子，在此反应中释放的电子将通过外部电路流动回阳极与氧气匹配，并在电路中的负载上产生电能。
最后，生成的水蒸气与进入电池的燃料气体共同通过融化电解质传输再次返回阳极，重新开始循环。
MCFC的反应如下：阳极反应：H2+CO3^2-→H2O+CO2+2e^-阴极反应：1/2O2+CO3^2-→CO2+1/2O2+2e^-总反应：H2+1/2O2→H2O1.高效能量转化：由于高温操作，MCFC具有较高的能量效率，可以达到60%以上。
2.适应性强：MCFC可直接使用天然气、煤气或生物质气体等各种气体作为燃料，灵活性高。
3.高承受电流：由于高温下电解质的高离子电导率，MCFC能够承受高电流密度并稳定运行。
4.对污染物的耐受性：MCFC能够耐受少量的碳氢化合物和硫化合物，减少了前处理的需求。
5.可回收利用废热：由于高温操作，MCFC可以通过余热回收提供蒸汽和热能，增加整体能量利用效率。
然而，MCFC也存在一些挑战和限制：1.材料选择困难：由于高温和碱性环境的腐蚀性，需要开发合适的材料来抵抗腐蚀和降低金属材料的漂移。
2.稳定性问题：碳酸盐电解质的融点较高，对电池稳定性提出了要求，需要进一步改进稳定性。
3.高启动温度要求：MCFC需要较高的工作温度，这意味着需要较长的预热时间和较高的能耗。
熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池：1,工作原理：负2H2+2CO32- →2CO2+2H2O+4e- CO3穿过膜由正到负极，正O2+2CO2+4e-→2CO3 e-由负极经负载到正极总2H2+O2→2H2O2关键材料隔膜：作用-隔离阴阳机；碳酸盐的载体；隔绝H2和O2的不透层要求-较高机械强度；耐高温熔盐腐蚀；工作状态下隔膜中充满电解质，并具有良好保持电解质性能。
具有良好离子导电，电子绝缘性能正负极：作用-良好催化作用，使电解液在隔膜，阴阳极间良好分配要求-抗熔融盐腐蚀，良好催化性能，与隔膜有良好孔匹配双极板：作用-分配氧化剂与还原剂，并提供气体流动通道，同时起集流导电作用要求-良好集阻气功能，良好导电集流功能4所选材料：隔膜LiAlO2 负极材料参杂AL Cr合金的Ni 正极材料NiO双极板：不锈钢，镍基合金钢固体氧化物燃料电池1工作原理负2H2+2O2-→2H2O+4e- O2-穿过膜由正极到负极正O2+4e-→2O2- e-由负极经负载到正极总2H2+O2→2H2O2 关键材料：正负极材料，电解质，电池堆，连接及密封材料3作用及基本要求：电解质：作用-隔离氧化剂与还原剂给O2-提供通道要求-致密薄膜，良好稳定性，较高离子导电，无电子导电负极材料：YSN：支撑，对H＊还原有催化作用；提供通道，使Ni均匀分布Ni-YSN：稳定性好；高导电率；与电解质有良好相容性和热膨胀匹配性；催化性能好；高透气性正极材料：作用-增大催化反应面积，传导电子，支撑要求：多孔性，高导电性，与固体电解质有高化学和热相容性及相近的膨胀系数，催化性能好，稳定性好。
连接材料：作用-连接阴阳极，分离燃料与氧化剂，构成流场，导电要求，良好力学性能，良好化学稳定性，高电导率，接近YSZ的热膨胀系数密封材料：作用-起组件与双极连接间密封作用要求-高温下密封性好，稳定性高，与固体电解质及连接板材料热膨胀系数相近，兼容性好4所选材料：电解质：易稳定的氧化铝YSZ 阳极材:Ni-YSN阳极材料,LSM 连接材料：LCC及Cr-Ni合金密封材料：Prery玻璃，玻璃/陶瓷复合材料锂离子电池1工作原理：正LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi++xe- 充电时Li+由正极到负极负C+xLi++xe-→LixC e-由正极→负极，其中Li+为可逆嵌入与脱嵌2基本组成：正极，负极，电解液3组成材料：负极材料为石墨（附着在负极铜箔两侧正极材料为LiCoO2（附着在铅箔上）电解液：电解质锂盐LiPF6质子交换膜燃料电池1 工作原理负极2H2→4H++4e-正极O2+4H++4e-→2H2O总2H2+O2→2H2O2关键材料：由双极板和膜电极组成，膜电极由质子交换膜，电催化剂，分子扩散层组成3作用及基本要求：双极板：支撑，集流，分隔氧化剂与还原剂并引导反应气体具有阻气功能，有一定强度且是良好导体，两侧有流场，热的良导体，适应电池工作环境，抗腐蚀质子交换膜：要求→电导率高（传递H+）化学稳定性好（耐酸碱腐蚀）热稳定性好（热量均匀分布）良好力学性能（强度柔韧性好）透气率低（正负极分开）电催化剂:作用-降低活化能，加快反应速率要求-催化活性好，抗中毒能力高，比表面积高导电性好稳定性好有适当载体分子扩散层：支撑催化层收集电流提供电子通道气体通道排水通道为提高反应面积多用多孔材料4 所选材料：双极板：石墨基/金属基复合双极板质子交换膜：全氮磺酸膜电催化剂：Pt负载C上气体扩散层：石墨碳化/碳纸镍氢电池组成材料：负极为储氢合金MH，有AB5型混合稀土系统及AB2型Lares相和一些新型材料，其中以AB5应用为广泛典型有LaNi5正极材料为Ni（OH）2 电解液 KOH溶液。
熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池燃料电池简介一、发展过程燃料电池的原理始见于1839年Grove发表的氢和氧反应可发生电的论文,但长期未受到重视。
直到二十世纪六十年代适应宇航事业的需要才开始应用,并不惜工本开发出高性能的燃料电池。
1967年美国将它列人TARGET计划(天然气转换研究计划),着手开发以天然气为燃料的民用燃料电池发电,日本的大阪和东京煤气公司亦参与了这一计划。
七十年代这种污染少而发电效率高的技术受到了多方重视。
但除了磷酸盐型燃料电池开发较快外,熔融碳酸盐型燃料电池和固体电解质型燃料电池因难度很高,所需燃料氢的开发尚未很好解决,因而进展不快。
直到1981年列人日本月光计划中的大型节能技术项目后,除将磷酸盐型电池列人扩大试验和应用开发计划外,将碳酸盐型电池进行工业应用试验,固体电解质型电池则从基础研究开始,进行了长期系统的研究。
二、基本原理和特点l、基本原理是水电解后生成氢和氧的逆反应。
即氢和氧燃烧时所产生的吉布斯自由能直接变成电能。
由于不经过常规发电流程中的热能和机械能的转换环节,故发电效率较高,污染少。
2、它和一般蓄电池基本相似,由正极、电解质和负极等基本元件组成。
不同的是蓄电池用完后需通过充电来恢复功能,而它只要不断供人氢和氧就可不断发电。
开、停方便,适于做调峰负荷.3、扩大规模时只是将若干个基本元件组叠加和串接组合即可。
其效率不受规模大小的影响,故适于孤岛和生活区的独立电源。
4、由于反应温度高,可利用余热供热;用于生活民用时,还可简化送配电系统,减少转电损耗。
5、电池本体无可动部分,加上附属系统的整体可动件亦少,无噪音污染。
三、燃料电池的应用前景燃料电池用于军事、航天等尖端技术领域,经济上的考虑是第二位的,但作为地面商业化发电设备,目前的价格3000美元/kw远远高于国际上大型现代化电站建设价格(约1000美元/kw)。
不过,如果按目前的发展PAFC降到1500美元/kw,又考虑到传统发电设备所排放的N仪、05:的污染防治费用,也许燃料电池发电更为经济。
熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。
其电解质是熔融态碳酸盐。
反应原理如下：放电：正极： O2 + 2CO2 + 4e-→2CO32-负极： 2H2 + 2CO32- -4e-→ 2CO2 + 2H2O总反应：O2 + 2H2 → 2H2O熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池（600℃～700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、无污染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物燃料等）、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点，是下一世纪的绿色电站。
燃料电池工程中心研制和小批量生产隔膜材料和电池隔膜，制备MCFC 电极并组装数千瓦的电池组。
已可批量生产隔膜材料LiAlO2粉料，开发成功制备1000cm2 LiAlO2隔膜的工艺，已组装了28cm2、110cm2单电池，并进行了电池性能的评价和研究，现正在进行千瓦级电池组的研制熔融碳酸盐燃料电池反应原理如下：放电：正极： O2 + 2CO2 + 4e-→2CO32-负极： 2H2 + 2CO32- -4e-→ 2CO2 + 2H2O总反应：O2 + 2H2 → 2H2O熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池（600℃～700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、无污染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物燃料等）、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点，是下一世纪的绿色电站。
燃料电池工程中心研制和小批量生产隔膜材料和电池隔膜，制备MCFC 电极并组装数千瓦的电池组。
已可批量生产隔膜材料LiAlO2粉料，开发成功制备1000cm2 LiAlO2隔膜的工艺，已组装了28cm2、110cm2单电池，并进行了电池性能的评价和研究，现正在进行千瓦级电池组的研制。
熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）一、MCFC概述1．1 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 1-1 燃料电池结构示意图由于FC具有以上显著的优点，在50~60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。
1．2 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）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。
乙醇燃料电池电极反应式熔融碳酸盐
乙醇燃料电池电极反应式熔融碳酸盐一、介绍乙醇燃料电池是一种利用乙醇作为燃料的电池，其电极反应式涉及到熔融碳酸盐。
本文将对乙醇燃料电池的电极反应式以及熔融碳酸盐进行全面、详细、完整且深入地探讨。
二、乙醇燃料电池的电极反应式乙醇燃料电池的电极反应式包括阳极和阴极两部分。
在阳极，乙醇被氧化生成二氧化碳、水和电子：1.乙醇氧化反应：C2H5OH + H2O → 2CO2 + 6H+ + 6e-2.在阴极，氧气被还原生成水：3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O综合两个反应式可以得到乙醇燃料电池的整体反应式：C2H5OH + 3/2O2 → 2CO2 + 3H2O三、熔融碳酸盐熔融碳酸盐是一种高温电解质，广泛应用于高温燃料电池中。
它具有以下特点：1. 高离子传导性能熔融碳酸盐具有良好的离子传导性能，可以在高温下快速传递离子，提高电池的反应速率和效率。
2. 宽电化学窗口熔融碳酸盐具有宽广的电化学窗口，能够承受较高的电压，提高电池的输出电压和功率密度。
3. 良好的化学稳定性熔融碳酸盐在高温下具有良好的化学稳定性，不易分解或腐蚀电极材料，延长电池的使用寿命。
4. 高温操作熔融碳酸盐需要在高温下进行操作，通常工作温度在600-800摄氏度之间，这对电池的材料选择和设计提出了一定的挑战。
四、乙醇燃料电池中的熔融碳酸盐应用乙醇燃料电池中的熔融碳酸盐主要用作电解质，用于传递离子，促进乙醇的氧化反应和氧气的还原反应。
熔融碳酸盐可以提供高离子传导性能和宽电化学窗口，从而提高电池的效率和性能。
1. 电解质材料选择在乙醇燃料电池中，常用的熔融碳酸盐包括碳酸锂、碳酸钠和碳酸钾等。
这些碱性碳酸盐具有良好的离子传导性能和化学稳定性，适合用作电池的电解质。
2. 温度控制由于熔融碳酸盐需要在高温下进行操作，电池需要配备相应的温控系统，以保持熔融碳酸盐在适宜的工作温度范围内。
温度的控制对电池的性能和寿命具有重要影响。
3. 材料兼容性熔融碳酸盐对电池材料的选择提出了一定的要求。
熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池：1,工作原理：负2H2+2CO32- →2CO2+2H2O+4e—CO3穿过膜由正到负极，正O2+2CO2+4e—→2CO3 e-由负极经负载到正极总2H2+O2→2H2O2关键材料隔膜：作用—隔离阴阳机;碳酸盐的载体;隔绝H2和O2的不透层要求-较高机械强度；耐高温熔盐腐蚀;工作状态下隔膜中充满电解质，并具有良好保持电解质性能。
具有良好离子导电，电子绝缘性能正负极：作用—良好催化作用，使电解液在隔膜，阴阳极间良好分配要求—抗熔融盐腐蚀，良好催化性能,与隔膜有良好孔匹配双极板：作用—分配氧化剂与还原剂，并提供气体流动通道,同时起集流导电作用要求—良好集阻气功能，良好导电集流功能4所选材料：隔膜LiAlO2 负极材料参杂AL Cr合金的Ni 正极材料NiO双极板：不锈钢,镍基合金钢固体氧化物燃料电池1工作原理负2H2+2O2-→2H2O+4e—O2—穿过膜由正极到负极正O2+4e-→2O2- e-由负极经负载到正极总2H2+O2→2H2O2 关键材料：正负极材料，电解质，电池堆，连接及密封材料3作用及基本要求：电解质：作用-隔离氧化剂与还原剂给O2-提供通道要求-致密薄膜,良好稳定性，较高离子导电，无电子导电负极材料:YSN:支撑，对H*还原有催化作用；提供通道,使Ni均匀分布Ni-YSN:稳定性好；高导电率；与电解质有良好相容性和热膨胀匹配性；催化性能好；高透气性正极材料：作用-增大催化反应面积，传导电子，支撑要求：多孔性，高导电性，与固体电解质有高化学和热相容性及相近的膨胀系数，催化性能好,稳定性好。
连接材料：作用-连接阴阳极，分离燃料与氧化剂，构成流场，导电要求，良好力学性能，良好化学稳定性,高电导率，接近YSZ的热膨胀系数密封材料:作用-起组件与双极连接间密封作用要求-高温下密封性好，稳定性高,与固体电解质及连接板材料热膨胀系数相近，兼容性好4所选材料：电解质：易稳定的氧化铝YSZ 阳极材:Ni—YSN阳极材料,LSM 连接材料:LCC及Cr-Ni合金密封材料：Prery玻璃,玻璃/陶瓷复合材料锂离子电池1工作原理：正LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi++xe- 充电时Li+由正极到负极负C+xLi++xe-→LixC e-由正极→负极，其中Li+为可逆嵌入与脱嵌2基本组成：正极，负极，电解液3组成材料:负极材料为石墨（附着在负极铜箔两侧正极材料为LiCoO2（附着在铅箔上)电解液：电解质锂盐LiPF6质子交换膜燃料电池1 工作原理负极2H2→4H++4e-正极O2+4H++4e-→2H2O总2H2+O2→2H2O2关键材料：由双极板和膜电极组成，膜电极由质子交换膜，电催化剂，分子扩散层组成3作用及基本要求：双极板:支撑，集流，分隔氧化剂与还原剂并引导反应气体具有阻气功能,有一定强度且是良好导体，两侧有流场，热的良导体，适应电池工作环境，抗腐蚀质子交换膜：要求→电导率高(传递H+）化学稳定性好（耐酸碱腐蚀）热稳定性好（热量均匀分布）良好力学性能（强度柔韧性好）透气率低（正负极分开）电催化剂:作用—降低活化能，加快反应速率要求—催化活性好，抗中毒能力高，比表面积高导电性好稳定性好有适当载体分子扩散层：支撑催化层收集电流提供电子通道气体通道排水通道为提高反应面积多用多孔材料4 所选材料：双极板:石墨基/金属基复合双极板质子交换膜：全氮磺酸膜电催化剂：Pt负载C上气体扩散层：石墨碳化/碳纸镍氢电池组成材料：负极为储氢合金MH，有AB5型混合稀土系统及AB2型Lares相和一些新型材料，其中以AB5应用为广泛典型有LaNi5正极材料为Ni（OH）2 电解液 KOH溶液。
葡萄糖燃料电池熔融碳酸盐
葡萄糖燃料电池熔融碳酸盐葡萄糖燃料电池是一种利用葡萄糖作为燃料的电池，它可以将葡萄糖中的化学能转化为电能。
而熔融碳酸盐则是葡萄糖燃料电池中常用的电解质材料。
本文将从葡萄糖燃料电池的原理、熔融碳酸盐的特性以及其在电池中的应用等方面进行探讨。
葡萄糖燃料电池的原理是通过将葡萄糖在阳极处氧化，产生电子和质子，电子流经外部负载形成电流，质子则穿过电解质传输到阴极处，与氧气发生还原反应形成水。
葡萄糖燃料电池具有高能量转化效率、低污染和可再生等特点，因此受到了广泛关注。
熔融碳酸盐是一类具有熔点较低的碳酸盐化合物，常见的有碳酸锂、碳酸钠等。
它们具有较好的离子传导性能和化学稳定性，能够提供较高的质子传输速率和较低的电阻。
因此，熔融碳酸盐被广泛应用于葡萄糖燃料电池中作为电解质材料。
在葡萄糖燃料电池中，熔融碳酸盐起到了关键的作用。
首先，它能够有效地传导质子，使得质子能够在阳极和阴极之间快速传输，提高电池的效率。
其次，熔融碳酸盐具有较低的电阻，可以降低电池的内阻，提高电池的输出功率。
此外，熔融碳酸盐还能够抑制阳极氧化反应的副反应，延长电池的使用寿命。
熔融碳酸盐作为电解质材料，还具有很好的热稳定性和化学稳定性。
在高温条件下，熔融碳酸盐仍然能够保持良好的离子传导性能，不会发生蒸发或分解等现象。
同时，熔融碳酸盐也具有较好的化学稳定性，能够抵抗酸碱等外界环境的影响，提高电池的使用寿命。
尽管熔融碳酸盐在葡萄糖燃料电池中具有许多优点，但也存在一些挑战和问题。
首先，熔融碳酸盐的熔点较高，需要较高的工作温度才能使其达到熔融状态，增加了电池的制造成本。
其次，熔融碳酸盐具有较高的粘度，会增加电池内部的电阻，降低电池的输出功率。
此外，熔融碳酸盐还存在着腐蚀性较大的问题，对电池材料和组件的稳定性提出了一定的要求。
为了克服上述问题，研究人员正在积极寻找新型的电解质材料，以提高葡萄糖燃料电池的性能。
例如，可以尝试使用固体氧化物燃料电池中常用的氧化物陶瓷电解质材料，如氧化锆、氧化钇稳定的碳酸盐等。
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MCFC工作原理图
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在实用的 MCFC 中，燃料气并不是纯的氢气， 而是由天然气、甲醇、石油、煤等转化产生的 富氢燃料气。 阴极氧化剂则是空气与二氧化碳的混合物，其 中还含有氮气。
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以烃类为燃料时，烃类要经过重整转化为氢和 CO2有三种形式，重整器是MCFC系统的重要组 成部分。 目前有内部转化和外部转化两种方式。 内部转化又区分为间接内部转化和直接内部转化。
2CO2 O2 4e 阴极反应：
2CO32
MCFC的导电离子为碳酸根，CO2在阴极为反应物，而 在阳极为产物。实际上电池工作过程中CO2在循环，即阳 极产生的CO2返回到阴极，以确保电池连续地工作。通常 采用的方法是将阳极室排出来的尾气经燃烧消除其中的H2 和CO ，再分离除水，然后将CO2返回到阴极循环使用。
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MCFC发电厂在主要技术路线上有以下几方面选择：
(1)燃料是天然气、煤制气还是其它； (2)转化方式； (3)在常压还是加压下工作； (4) 输入阳极的水汽是由阳极废气分离出的水提供，还 是将一部分阳极废气直接送回到阳极 ( 前者称为蒸汽分 离法，后者称为阳极气再循环法)；
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（2）隔膜材料 隔膜是MCFC的核心部件，必须具备高 强度、耐高温熔盐腐蚀、浸入熔盐电解质后能阻气和具有 良好的离子导电性能。目前MCFC的隔膜材料是LiAlO2， LiAlO2粉体有三种晶型：分别为型（六方晶系）、β型 （单斜晶系）和γ型（四方晶系）。外形分别为球形、针 状和片状，密度则分别为3.400g/cm³ 、2.610 g/cm³ 和2.615 g/cm³ 。早期使用的MgO隔膜已被淘汰。 （3）双极板材料 MCFC的双极板有三个主要作用：① 隔开氧化剂（O2或空气）与还原剂（天然气、重整气）； ②提供气体流动通道；③集流导电。 MCFC的双极板材料主要为不锈钢（如310#或316#）和各 类镍基合金。
(5)阴极所需的CO2是从阳极废气中提取，还是由燃烧阳 极废气获得。
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第五章
燃料电池
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熔融碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel cell--MCFC)
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MCFC属高温燃料电池，与低温燃料电池相比，MCFC的 成本和效率很有竞争力，概况起来有四大优势： ①在工作温度下，MCFC可以进行内部重整燃料，例如在阳极反 应室进行甲烷的重整反应，重整反应所需热量由电池反应的 余热提供； ②MCFC的工作温度为650~700℃，其余热可用来压缩反应 气体以提高电池性能，也可以用于供暖； ③燃料重整时产生的CO可以作为MCFC的燃料，且由于MCFC 为高温燃料电池，不会受到CO的中毒催化剂的威胁； ④催化剂为镍合金，不使用贵金属。 MCFC适用于建立高效、环境友好的电站，它的特点是 电池材料价廉，电池堆易于组装，效率为40%以上，同时具 有噪声低、无污染、余热利用价值高的优点。 这种电池需要较长的时间方能达到工作温度，因此不能 用于交通运输。
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MCFC的燃料气是 H2，氧化剂是O2和CO2。当电池工 作时，阳极上的H2与从阴极区迁移过来的CO32-反应， 生成 CO 2 和 H 2 O ，同时将电子输送到外电路。阴极上 O2和CO2与从外电路输送过来的电子结合、生成CO32-。 电池的反应方程式如下：
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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，又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。
种镍合金。大功率电池组的双极板加工通常采用冲压成型 加工，小型电池可采用机械加工。 在MCFC的工作条件下，双极板的腐蚀不可忽视。阳极侧 的腐蚀速度高于阴极，往往在阳极侧镀镍以实现防腐。
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5.4 MCFC结构特点
MCFC的结构图
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影响电池性能和寿命的因素
温度
压力
提高压力，使得反应气体分压 增大，气体的溶解度增大，物 质的传输速率增大，从而使电 池电压增加。
反应气体组分和利用率 影响因素 电流密度 电解质的成分和电解板结构 气体中杂质
为提高电压，MCFC应工作在低反应气体利用 影响电池性能和寿命的因素 率下，但这将导致燃料的利用不充分。为获得 整体最佳性能，折衷后的燃料利用率一般为7585% ，氧化剂利用率一般为50%。 温度
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影响电池性能和寿命的因素 电池性能随温度增加而提高。
温度
压减小；另外，由于高温下蒸 发和材料的腐蚀使电解质的 损失加大。因此比较理想的 工作温度为650 ℃。
反应气体组分和利用率 影响因素 电流密度 电解质的成分和电解板结构 气体中杂质
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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。
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工艺流程
陶瓷粉体
球磨
增塑剂 二次球磨 脱气泡 浇注、干燥 叠层
溶剂分散剂
粘结剂
存放
（2）电极的制备 MCFC的阳极是镍电极或镍-铬合金电 极，MCFC的阴极为NiO、LiCoO2电极，两者的制备方法 均采用带铸法，这与隔膜制备过程相似。
①MCFC阴极的制备 原料选用羰基法制备的Ni粉，也可以选 用高温合成法制备的Ni-Cr合金粉（Cr的含量为8%），加入一 定比例的胶黏剂、增塑剂和分散剂，用正丁醇和乙醇作溶剂调 成浆料，用带铸制膜。在电池程序升温过程中除去有机物，成 品是多孔气体扩散电极。 Ni电极通常厚度为0.4mm，平均孔径为5μm，孔径度达到 70%。Ni-Cr电极的厚度是0.4~0.5mm，平均孔径也是5μm，孔 隙度同样为70%。 ②MCFC阳极的制备 原料选用LiCoO2、LiMnO2或CeO2等， 同样采用带铸法制成阳极。LiCoO2阳极的厚度为0.4~0.6mm， 平均孔径为10mm，孔隙率为50%~70%。
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MCFC 单体与电池堆的制造工艺，经几十年的努 力，己得到很大改进。
作为工业或民用的较大规模发电装置，技术也趋于 成熟，其中以天然气为燃料的兆瓦级电厂已达到商 品化程度，以煤制气为燃料的更大规模的电厂现正 加紧研究，实现100年前用煤作电池燃料的理想已为 期不远。
电池结构
燃料极（阳极） 单电池
空气极（阴极）
电解质板
MCFC
燃料重整系统 空气供给系统 发电系统 直交流逆变系统 排热回收系统 监测和控制系统
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。 MCFC的主要特点： 1 ）阴、阳极活性物质都是气体，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。
温度
压力
一般典型的电解质组成是 62%Li2CO3+38%K2CO3.为获得较 反应气体组分和利用率 好的单电池性能，电解质板应该 做得薄一些。
影响因素
电流密度 电解质的成分和电解板结构 气体中杂质
影响电池性能和寿命的因素
温度
压力 反应气体组分和利用率 影响因素 电流密度 硫化物 卤化物 电解质的成分和电解板结构 氮化物 气体中杂质 固态颗粒微尘
压力 反应气体组分和利用率 影响因素 电流密度 电解质的成分和电解板结构 气体中杂质
影响电池性能和寿命的因素
温度
压力
随电流密度的增大， 欧姆电阻、极化和浓 度损失都增大，从而
导致电池的电压下降。 反应气体组分和利用率
影响因素 电流密度 电解质的成分和电解板结构 气体中杂质
影响电池性能和寿命的因素
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（3）隔膜与电极的孔匹配 MCFC的电解质是62%Li2CO3+38%K2CO3（摩尔分数， 490℃），它在LiAlO2隔膜上完全浸润。 MCFC是高温电池，电机内无增水剂，电解质在隔膜、电 极间分配主要靠毛细力实现平衡。
（4）双极板的制备 双极板的原材料主要为不锈钢或各
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5.1 MCFC的工作原理 MCFC的电解质为熔融碳酸盐，一般为碱金属Li、K、Na、 Cs的碳酸盐混合物，隔膜材料是LiAlO2，正极和负极分别 为添加锂的氧化镍和多孔镍 。当温度加热到650℃时，这 种盐就会熔化，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢 结合生成水，二氧化碳和电子。电子然后通过外部回路返 回到阴极，在这过程中发电。 阳极反应： CO32 H2 H2O CO2 2e
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5.3 MCFC的制备工艺
（1）隔膜的制备 目前MCFC的隔膜主要采用偏铝酸锂 （LiAlO2）膜，隔膜材料为LiAlO2粉体。为了保证隔膜的 质量，必须严格控制LiAlO2的粒度、晶型和密度。偏铝酸 锂隔膜的制备方法有热压法、电沉积法、真空铸造法、冷 热液法和带铸法等。其中带铸法即适宜于大批量生产，又 能保证质量，目前广泛被采用。 带铸法的主要步骤是：①在 γ -LiAlO 2 中加入 5%~15% 的 LiAlO2，同时加入一定比例的胶黏剂、增塑剂和溶剂，经 长时间球磨得到浆料；②浆料经带铸机铸膜；③通过控制 其中溶剂的挥发速度，将膜快速干燥；④将数张膜叠合， 经热压制备出MCFC用隔膜，要求厚度为 0.5~0.6mm，堆 密度为1.75~1.85g/cm³ 。