熔融碳酸盐燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是在600°C及以上温度下运行的高温燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)开发用于天然气、沼气（由厌氧消化或生物质气化产生）和用于电力、工业和军事应用的煤基发电厂。MCFC是高温燃料电池，其电解质由悬浮在多孔、化学惰性的β-氧化铝固体电解质(BASE)陶瓷基质中的熔融碳酸盐混合物组成。由于它们在650°C（大约1,200°F）及以上的极高温度下运行，非贵金属可用作阳极和阴极的催化剂，从而降低成本。提高效率是MCFC比磷酸燃料电池(PAFC)显着降低成本的另一个原因。熔融碳酸盐燃料电池可以达到接近60%的效率，xxx高于磷酸燃料电池工厂37-42%的效率。当余热被捕获和使用时，整体燃料效率可高达85%。与碱性、磷酸和聚合物电解质膜燃料电池不同，MCFC不需要外部重整器即可将能量密度更高的燃料转化为氢气。由于MCFC运行时的高温，这些燃料通过称为内部重整的过程在燃料电池本身内转化为氢气，这也降低了成本。熔融碳酸盐燃料电池不易被一氧化碳或二氧化碳中毒——它们甚至可以使用碳氧化物作为燃料——这使得它们对于用煤制成的气体作为燃料更具吸引力。因为它们比其他类型的燃料电池更能抵抗杂质，科学家们认为它们甚至可以对煤炭进行内部重整，假设它们可以抵抗由煤炭转化产生的硫和颗粒等杂质，煤炭是一种更脏的化石燃料比许多其他来源，变成氢气。或者，由于MCFC需要将CO2与氧化剂一起输送到阴极，因此它们可用于从其他化石燃料发电厂的烟气中电化学分离二氧化碳以进行封存。当前MCFC技术的主要缺点是耐用性。这些电池运行的高温和使用的腐蚀性电解质会加速组件的损坏和腐蚀，从而缩短电池寿命。科学家们目前正在探索用于组件的耐腐蚀材料以及燃料电池设计，以增加电池寿命而不降低性能。

熔融碳酸盐燃料电池是最近开发的一种燃料电池，针对小型和大型能源分配/发电系统，因为它们的发电量在0.3-3MW范围内。工作压力在1-8atm之间，而温度在600和700°C之间。由于在化石燃料（甲烷、天然气）重整过程中会产生CO2，MCFC并不是一种完全绿色的技术，但由于其可靠性和效率（与电力热电联产的足够热量）而很有前景。当前的MCFC效率在60%到70%之间。材料由于MCFC的高工作温度，需要非常仔细地选择材料以适应电池内存在的条件。以下部分介绍了燃料电池中存在的各种材料以及研究的最新进展。

阳极材料通常由多孔（3-6μm，45-70%材料孔隙率）Ni基合金组成。Ni与2-10%范围内的铬或铝形成合金。这些合金元素允许在晶界处形成LiCrO2/LiAlO2，从而提高材料的抗蠕变性并防止阳极在燃料电池的高工作温度下烧结。最近的研究着眼于使用纳米镍和其他镍合金来提高性能并降低燃料电池的工作温度。操作温度的降低将延长燃料电池的寿命（即降低腐蚀速率）并允许使用更便宜的组件材料。同时，温度降低会降低电解质的离子电导率，因此，阳极材料需要补偿这种性能下降（例如通过增加功率密度）。其他研究人员已经研究了通过使用Ni3Al合金阳极来提高抗蠕变性，以减少运行时阳极中Ni的质量传输。

在电池的另一侧，阴极材料由偏钛酸锂或转化为锂化氧化镍的多孔Ni组成（锂嵌入NiO晶体结构中）。阴极内的孔径在7-15μm的范围内，其中60-70%的材料是多孔的。正极材料的主要问题是NiO的溶解，因为当正极与碳酸盐电解质接触时，它会与CO2发生反应。这种溶解导致镍金属在电解质中沉淀，并且由于它是导电的，燃料电池可能会短路。因此，目前的研究已经研究了向NiO正极添加MgO以限制这种溶解。氧化镁用于降低Ni2+在阴极中的溶解度并减少电解质中的沉淀。

MCFC使用由钠(Na)和钾(K)碳酸盐组成的液体电解质（熔融碳酸盐）。这种电解质由陶瓷(LiAlO2)基质支撑，以容纳电极之间的液体。燃料电池的高温需要通过这种电解质产生足够的碳酸盐离子电导率。常见的MCFC电解质含有62%的Li2CO3和38%的K2CO3。由于其较高的离子电导率，使用了较大比例的碳酸锂，但由于其较低的气体溶解度和氧的离子扩散性，因此被限制在62%。此外，Li2CO3是一种腐蚀性很强的电解质，这种碳酸盐比例提供了最低的腐蚀速率。由于这些问题，最近的研究已深入研究用碳酸钠代替碳酸钾。与Li/K电解质（Li/K更碱性）相比，Li/Na电解质已显示具有更好的性能（更高的电导率）并提高了正极的稳定性。此外，科学家们还研究了修改电解质的基质，以防止电池运行期间材料中的相变（γ-LiAlO2到α-LiAlO2）等问题。相变伴随着电解质的体积减小，导致离子电导率降低。通过各种研究，已经发现氧化铝掺杂的α-LiAlO2基体可以提高相稳定性，同时保持燃料电池的性能。科学家们还研究了修改电解质的基质，以防止电池运行期间材料中的相变（γ-LiAlO2到α-LiAlO2）等问题。相变伴随着电解质的体积减小，导致离子电导率降低。通过各种研究，已经发现氧化铝掺杂的α-LiAlO2基体可以提高相稳定性，同时保持燃料电池的性能。科学家们还研究了修改电解质的基质，以防止电池运行期间材料中的相变（γ-LiAlO2到α-LiAlO2）等问题。相变伴随着电解质的体积减小，导致离子电导率降低。通过各种研究，已经发现氧化铝掺杂的α-LiAlO2基体可以提高相稳定性，同时保持燃料电池的性能。

德国公司MTUFriedrichshafen在2006年的汉诺威博览会上展示了MCFC。该装置重2吨，可以利用包括沼气在内的各种气体燃料产生240kW的电力。如果以天然气等含碳燃料为燃料，废气中将含有二氧化碳，但与使用船用燃料的柴油发动机相比，排放量将减少50%。排气温度为400°C，足以用于许多工业过程。另一种可能性是通过蒸汽轮机产生更多电力。根据原料气类型，电效率在12%到19%之间。蒸汽涡轮机可以将效率提高多达24%。该装置可用于热电联产。