第五章燃料电池之熔融碳酸盐燃料电池ppt课件.ppt
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1、第五章 燃料电池,熔融碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel cell-MCFC),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: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;MCFC的工作温度为650700,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;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;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
2、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。,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: 阴极反应: 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
3、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。,5.1 MCFC的工作原理,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CO2和H2O,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:,MCFC工作原理图,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。,以烃类为燃料时,烃类
4、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。,MCFC烃类燃料重整转化为氢和CO2的三种方式,5.2 MCFC的材料,MCFC的材料包括电极材料、隔膜材料和双极板材料。(1)电极材料 MCFC的电极是H2、CO氧化和O2还原的场所,MCFC的电极必须具备两个基本条件:加速电化学反应,必须耐熔盐腐蚀;保证电解液在隔膜、阴极和阳极间的良好分配,电极与隔膜必须有适宜的孔度相配。MCFC的阳极电催化剂经历了Ag、Pt、Ni,现在主要采用Ni-Cr合金或Ni-Al合金。采用Ni取代Ag和Pt是为
5、了降低电池成本,而演变为镍合金是为了防止镍的蠕变现象。MCFC的阴极材料有NiO、LiCoO2、LiMnO2、CuO和CeO2等,由于NiO电极在MCFC工作过程中会缓慢溶解,同时还会被从隔膜渗透过来的氢还原而导致电池短路,所以LiCoO2等新型阴极材料正逐渐取代NiO。,(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)、型(单斜晶系)和型(四方晶系)。外形分别为球形、针状和片状,密度则分别为3.400g/cm、2.610 g/cm和2
6、.615 g/cm。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:隔开氧化剂(O2或空气)与还原剂(天然气、重整气);提供气体流动通道;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。,5.3 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:
7、在-LiAlO2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;浆料经带铸机铸膜;通过控制其中溶剂的挥发速度,将膜快速干燥;将数张膜叠合,经热压制备出MCFC用隔膜,要求厚度为0.50.6mm,堆密度为1.751.85g/cm。,工艺流程,陶瓷粉体,溶剂分散剂,增塑剂,粘结剂,球磨,二次球磨,脱气泡,浇注、干燥,叠层,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。MCFC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
8、-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5m,孔径度达到70%。Ni-Cr电极的厚度是0.40.5mm,平均孔径也是5m,孔隙度同样为70%。MCFC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0.40.6mm,平均孔径为10mm,孔隙率为50%70%。,(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L
9、iAlO2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。,MCFC的结构图,5.4 MCFC结构特点,电池结构,MCFC,单电池,发电系统,燃料极(阳极),空气极(阴极),电解质板,燃料重整系统,空气供给系统,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
10、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。,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。,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
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