熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell）簡稱MCFC，是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構成的燃料電池，其電解質是熔融態碳酸鹽。MCFC的優點在於工作溫度較高，反應速度加快；對燃料的純度要求相對較低，可以對燃料進行電池內重整；不需貴金屬催化劑，成本較低；採用液體電解質，較易操作。不足之處在於，高溫條件下液體電解質的管理較困難，長期操作過程中，腐蝕和滲漏現象嚴重 ，降低了電池的壽命。
基本介紹
- 中文名：熔融碳酸鹽燃料電池
- 外文名：Molten Carbonate Fuel Cell
- 類型：高溫電池
- 電解質：熔融碳酸鹽
- 原料：多孔陶瓷陰極等
- 所屬學科：電子工程
MCFC的工作原理,MCFC的結構,MCFC的特點,MCFC的材料,MCFC的套用,
MCFC的工作原理
MCFC的電解質為熔融碳酸鹽，一般為鹼金屬Li、K、Na、Cs的碳酸鹽混合物，隔膜材料是LiAiO2，正極和負極分別為添加鋰的氧化鎳和多孔鎳。
MCFC的工作原理
MCFC的工作原理MCFC的工作原理如右圖。
MCFC的電池反應如下：
陰極反應：
陽極反應：
電池反應：
由上述反應可知，MCFC的導電離子為
，CO2在陰極為反應物，而在陽極為產物。實際上電池工作過程中CO2在循環，即陽極產生的CO2返回到陰極，以確保電池連續地工作。通常採用的方法是將陽極室排出來的尾氣經燃燒消除其中的H2和CO，再分離除水，然後將CO2返回到陰極循環使用。
MCFC的結構
MCFC的結構示意圖如右圖1。MCFC組裝方式是：隔膜兩側分別是陰極和陽極，再分別放上集流板和雙極板。MCFC電池組的結構如下圖2。按氣體分布方式可分為內氣體分布管式（a）和外氣體分布管式（b）。外分布管式電池組裝好後，在電池組與進氣管間要加入由LiAiO2和ZrO2製成的密封墊。由於電池組在工作時會發生形變，這種結構導致漏氣，同時在密封墊內還會發生電解質的遷移。鑒於它的缺點，內分布管式逐漸取代了外分布管，它克服了上述的缺點，但卻要犧牲極板的有效使用面積。在電池組內氧化氣體和還原氣體的相互流動有三種方式：並流、對流和錯流。
MCFC的結構示意圖
MCFC的結構示意圖
MCFC的特點
1、熔融碳酸鹽燃料電池的優點
熔融碳酸鹽燃料電池可以採用非貴重金屬作為催化劑，降低了使用成本。能夠耐受CO和CO2的作用，可採用富氫燃料。用鎳(Ni）或不鏽鋼作為電池的結構材料，材料容易獲得並且價格便宜。熔融碳酸鹽燃料電池為高溫型燃料電池，餘熱溫度高，餘熱可以充分利用。
2、熔融碳酸鹽燃料電池的缺點
以Li2CO3及k2CO3混合物做成電解質，在使用過程中會燒損和脆裂，降低了熔融碳酸鹽燃料電池的使用壽命，其強度與壽命還有待提高。在整個化學反應過程中，CO2要循環使用，從燃料電極排出的CO2要用經過催化除H2的處理後，再按一定的比例與空氣混合送入氧電極，CO2的循環系統增加了熔融碳酸鹽燃料電池的結構和控制的複雜性。
MCFC的材料
MCFC的材料包括電極材料、隔膜材料和雙極板材料。
1、電極材料
MCFC的電極是H2、CO氧化和O2 還原的場所，MCFC的電極必須具備兩個基本條件:①保證加速電化學反應，必須耐熔鹽腐蝕；②保證電解液在隔膜、陰極和陽極間的良好分配，電極與隔膜必須有適宜的孔度相配。
MCFC的陽極電催化劑經歷了Ag、Pt、Ni，主要採用Ni-Cr合金或Ni-Al合金。採用Ni取代Ag和Pt是為了降低電池成本，而演變為鎳合金是為了防止鎳的蠕變現象。
MCFC的陰極材料有NiO、LiCOO2、LiMnO2、CuO和CeO2 等，由於NiO電極在MCFC工作過程中會緩慢溶解，同時還會被從隔膜滲透過來的氫還原而導致電池短路，所以LiCOO2等新型陰極材料正逐漸取代NiO。
2、隔膜材料
隔膜是MCFC的核心部件，必須具備高強度、耐高溫熔鹽腐蝕、浸入熔鹽電解質後能阻氣和具有良好的離子導電性能。MCFC的隔膜材料是LiAiO2，LiAiO2粉體有三種晶型，分別為α型 （六方晶系）、β型 （單斜晶系）和γ型 （四方晶系）。外形分別為球形、針狀和片狀，密度則分別3.400g·cm-3、2.610g·cm-3和2.615g·cm-3。
3、雙極板材料
MCFC的雙極板有三個主要作用：①隔開氧化劑（O2或空氣）與還原劑 （天然氣、重整氣）；②提供氣體流動通道；③集流導電。MCFC的雙極板材料主要為不鏽鋼和各類鎳基合金。
MCFC的套用
MCFC在建立高效、環境友好的50~10000kW的分散電站方面具有顯著優勢。MCFC以天然氣、煤氣和各種碳氫化合物為燃料，可以實現減少40%以上的CO2排放，也可以實現熱電聯供或聯合循環發電，將燃料的有效利用率提高到70%~80%。
① 發電能力50kW左右的小型MCFC電站，主要用於地面通訊和氣象台站等。
② 發電能力在200~500kW的MCFC中型電站，可用於水面艦船、機車、醫院、海島和邊防的熱電聯供。
③ 發電能力在1000kW以上的MCFC大型電站，可與熱機聯合循環發電，作為區域性供電站，還可以與市電併網。
