熔融碳酸鹽電池(MCFC)

MCFC屬高溫燃料電池，其工作溫度在600～650℃。作為第二代燃料電池在近10余年來獲得了長足進(jìn)展。MCFC被美國認(rèn)為是下一世紀(jì)的燃煤電廠的光明未來。美國投巨資建造了一座2MW的MCFC工廠。日本也在準(zhǔn)備開發(fā)1MW的MCFC工廠。MCFC的電解質(zhì)采用碳酸鋰和碳酸鉀構(gòu)成的共晶混合物，離子導(dǎo)體是碳酸根。單電池系統(tǒng)由一個陽極、一個陰極及電解質(zhì)組成。氧和CO2陰極反應(yīng)形成碳酸根，碳酸根通過熔鹽電解質(zhì)擴(kuò)散到陽極，與此同時碳酸根與氫反應(yīng)將氫氧化，給出電子，進(jìn)入外電路。MCFC采用重整產(chǎn)物如氣態(tài)CO和H2的混合物作燃料。電極反應(yīng)是：

陽極：H2+CO32-→H2O+CO2+2e-;CO+CO32-→2CO2+2e-(少量);

遷移反應(yīng)：CO+H2O→H2+CO2;

陰極：1/2O2+CO2+2e-→CO32-;

總反應(yīng)：H2+1/2O2→H2O。

通過該化學(xué)反應(yīng)方程式可知如果要產(chǎn)生2F的電量，陰極必須消耗1molCO2，而陽極則產(chǎn)生1molCO2。因此為保持電解質(zhì)成分不變，需要使CO2實(shí)現(xiàn)循環(huán)。

MCFC的優(yōu)點(diǎn)：

(1)較高的工作溫度。由于電極反應(yīng)活化能較小，不論是氫的氧化還原，還是氧的還原，都不需要高效催化劑，不用使用貴金屬，使成本降低;

(2)余熱高。電池排放的余熱溫度高達(dá)400℃，可以回收利用，總效率以可達(dá)90%以上;

(3)燃料氣體對CO含量要求降低，可以直接使用如煤制氣等燃料;

(4)可以不用水冷卻，尤其適用于缺水的偏遠(yuǎn)地區(qū)。

缺點(diǎn)：

(1)將陽極產(chǎn)生的CO2重新輸送到陰極，需增加CO2循環(huán)系統(tǒng)，增加了電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性;

(2)高溫工作環(huán)境以及強(qiáng)的腐蝕性電解質(zhì)對電池各種材料的耐腐蝕性要求嚴(yán)格，影響電池壽命;

(3)電池邊緣的高溫濕密封技術(shù)難度大，特別是在遭受腐蝕嚴(yán)重的陽極區(qū)。

固體氧化物燃料電池(SOFC)

SOFC是一種全固態(tài)發(fā)電系統(tǒng)，它是以固體氧化物為電解質(zhì)在高溫環(huán)境下(約1000℃)工作，以確保其各部分元件有適當(dāng)?shù)碾x子和電子導(dǎo)電率。其剖面如圖5所示。氧離子(O2-)是陰極與電解質(zhì)的界面電子將電荷轉(zhuǎn)移給氧分子以所產(chǎn)生。氧離子與陽極板表面的H2和CO結(jié)合分別產(chǎn)生H2O和CO2，并釋放電子連通電路。各電極反應(yīng)為：陰極：1/2O2+2e-→O2-;陽極：H2+O2-→H2O+2e-;電池總反應(yīng)：H2+1/2O2→H2O(CO+1/2O2→CO2)。

持續(xù)向SOFC的陽極一側(cè)通入氣體燃料，如氫氣(H2)、甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)等，陽極表面呈多孔結(jié)構(gòu)并且具有催化作用，利用陽極表面吸附燃料氣體，通過多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽極與電解質(zhì)的界面。向陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣，陰極板結(jié)構(gòu)與陽極相同，利用陰極表面的多孔結(jié)構(gòu)吸附氧，并且通過催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢的作用下，氧離子進(jìn)入電解質(zhì)，利用濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，電子利用電壓差通過外電路回到陰極。

SOFC的優(yōu)點(diǎn)包括：

(1)不必使用貴金屬作催化劑，可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料;

(2)較高的電流密度及功率密度;

(3)提供高質(zhì)余熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。燃料綜合利用率高(可達(dá)90%以上)，是一種清潔高效的能源系統(tǒng);

(4)沒有使用酸堿電解質(zhì)或熔鹽電解質(zhì)，避免了中、低溫燃料電池的腐蝕及封接問題;

(5)采用陶瓷材料作陰極、陽極及電解質(zhì)，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是對陶瓷材料的性能要求高、組裝困難、預(yù)熱和冷卻系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、不易建立。