[科普中国]-熔融碳酸盐燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell）简称MCFC，是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池，其电解质是熔融态碳酸盐。MCFC的优点在于工作温度较高，反应速度加快；对燃料的纯度要求相对较低，可以对燃料进行电池内重整；不需贵金属催化剂，成本较低；采用液体电解质，较易操作。不足之处在于，高温条件下液体电解质的管理较困难，长期操作过程中，腐蚀和渗漏现象严重 ，降低了电池的寿命。

MCFC的工作原理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LiAiO2，正极和负极分别为添加锂的氧化镍和多孔镍。

MCFC的工作原理如右图。

MCFC的电池反应如下：

阴极反应：

阳极反应：

电池反应：

由上述反应可知，MCFC的导电离子为 ，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。

MCFC的结构MCFC的结构示意图如右图1。MCFC组装方式是：隔膜两侧分别是阴极和阳极，再分别放上集流板和双极板。MCFC电池组的结构如下图2。按气体分布方式可分为内气体分布管式（a）和外气体分布管式（b）。外分布管式电池组装好后，在电池组与进气管间要加入由LiAiO2和ZrO2制成的密封垫。由于电池组在工作时会发生形变，这种结构导致漏气，同时在密封垫内还会发生电解质的迁移。鉴于它的缺点，内分布管式逐渐取代了外分布管，它克服了上述的缺点，但却要牺牲极板的有效使用面积。在电池组内氧化气体和还原气体的相互流动有三种方式：并流、对流和错流。1

MCFC的特点1、熔融碳酸盐燃料电池的优点

熔融碳酸盐燃料电池可以采用非贵重金属作为催化剂，降低了使用成本。能够耐受CO和CO2的作用，可采用富氢燃料。用镍(Ni）或不锈钢作为电池的结构材料，材料容易获得并且价格便宜。熔融碳酸盐燃料电池为高温型燃料电池，余热温度高，余热可以充分利用。

2、熔融碳酸盐燃料电池的缺点

以Li2CO3及k2CO3混合物做成电解质，在使用过程中会烧损和脆裂，降低了熔融碳酸盐燃料电池的使用寿命，其强度与寿命还有待提高。在整个化学反应过程中，CO2要循环使用，从燃料电极排出的CO2要用经过催化除H2的处理后，再按一定的比例与空气混合送入氧电极，CO2的循环系统增加了熔融碳酸盐燃料电池的结构和控制的复杂性。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:①保证加速电化学反应，必须耐熔盐腐蚀；②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，主要采用Ni-Cr合金或Ni-Al合金。采用Ni取代Ag和Pt是为了降低电池成本，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。MCFC的隔膜材料是LiAiO2，LiAiO2粉体有三种晶型，分别为α型 （六方晶系）、β型 （单斜晶系）和γ型 （四方晶系）。外形分别为球形、针状和片状，密度则分别3.400g·cm-3、2.610g·cm-3和2.615g·cm-3。

3、双极板材料

MCFC的双极板有三个主要作用：①隔开氧化剂（O2或空气）与还原剂 （天然气、重整气）；②提供气体流动通道；③集流导电。MCFC的双极板材料主要为不锈钢和各类镍基合金。

MCFC的应用MCFC在建立高效、环境友好的50~10000kW的分散电站方面具有显著优势。MCFC以天然气、煤气和各种碳氢化合物为燃料，可以实现减少40%以上的CO2排放，也可以实现热电联供或联合循环发电，将燃料的有效利用率提高到70%~80%。

① 发电能力50kW左右的小型MCFC电站，主要用于地面通讯和气象台站等。

② 发电能力在200~500kW的MCFC中型电站，可用于水面舰船、机车、医院、海岛和边防的热电联供。

③ 发电能力在1000kW以上的MCFC大型电站，可与热机联合循环发电，作为区域性供电站，还可以与市电并网。

本词条内容贡献者为:

武伟 - 高级工程师 - 天津直升机有限责任公司