熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)及其原理

熔融碳酸鹽型燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC）是第二代燃料電池，由于其電解質(zhì)是一種存在于偏鋁酸鋰（LiAlO2）陶瓷基膜里的熔融堿金屬碳酸鹽混合物而得其名。熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構(gòu)成的燃料電池。其電解質(zhì)是熔融態(tài)碳酸鹽，通常是鋰和鉀，或鋰和鈉金屬碳酸鹽的二元混合物。反應原理示意圖如下： 陰 極： O2 + 2CO2 + 4e - →2CO32- 陽 極： 2H2 + 2CO32- → 2CO2 + 2H2O + 4e– 總反應： O2 ＋ 2H2 → 2H2O 　　在這一反應中，e-從燃料極被放出，通過外部的回路反回到空氣極，由e- 在外部回路中不間斷的流動實現(xiàn)了燃料電池發(fā)電。另外，MCFC的最大特點是，必須要有有助于反應的CO32-離子，因此，供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體。并且，在電池內(nèi)部充填觸媒，從而將作為天然氣主成份的CH4 在電池內(nèi)部改質(zhì)，在電池內(nèi)部直接生成H2 的方法也已開發(fā)出來了。而在燃料是煤氣的情況下，其主成份CO 和H2O反應生成H2，因此，可以等價地將CO作為燃料來利用。為了獲得更大的出力，隔板通常采用Ni和不銹鋼來制作。 　　熔融碳酸鹽燃料電池是一種高溫電池（600～700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、無污染、燃料多樣化（氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等）、余熱利用價值高和電池構(gòu)造材料價廉等諸多優(yōu)點，是未來的綠色電站。 　　50年代初，熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由于其可以作為大規(guī)模民用發(fā)電裝置的前景而引起了世界范圍的重視。在這之后，MCFC發(fā)展的非?？?，它在電池材料、工藝、結(jié)構(gòu)等方面都得到了很大的改進，但電池的工作壽命并不理想。到了80年代，它已被作為第二代燃料電池，而成為實現(xiàn)兆瓦級商品化燃料電池電站的主要研究目標，研制速度日益加快?，F(xiàn)在MCFC的主要研制者集中在美國、日本和西歐等國家?，F(xiàn)已基本接近商品化生產(chǎn)，但由于其制備成本高而未能廣泛應用。 　　國內(nèi)開展MCFC研究的單位不太多。哈爾濱電源成套設(shè)備研究所在80年代后期曾研究過MCFC，90年代初停止了這方面的研究工作。1993年中國科學院大連化學物理研究所在中國科學院的資助下開始了MCFC的研究，自制LiAlO2微粉，用冷滾壓法和帶鑄法制備出MCFC用的隔膜，組裝了單體電池，其性能已達到國際80年代初的水平。90年代初，中國科學院長春應用化學研究所也開始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制備方法研究和利用金屬間化合物作MCFC的陽極材料等方面取得了很大進展。北京科技大學于90年代初在國家自然科學基金會的資助下開展了MCFC的研究，主要研究電極材料與電解質(zhì)的相互作用，提出了用金屬間化合物作電極材料以降低它的溶解。中國科學院上海冶金研究所近年來也開始了MCFC的研究，主要著重于研究氧化鎳陰極與熔融鹽的相互作用。1995年上海交通大學與長慶油田合作開始了MCFC的研究，目標是共同開發(fā)5kW～10kW的MCFC。中國科學院電工研究所在"八五"期間，考察了國外MCFC示范電站的系統(tǒng)工程，調(diào)查了電站的運行情況，現(xiàn)已開展了MCFC電站系統(tǒng)工程關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)。