熔融碳酸盐燃料电池堆开发及其性能试验

针对大面积熔融碳酸盐燃料电池及其大功率电堆本体开发过程中关键材料的制备以及匹配特性难题,开发了大面积熔融碳酸盐燃料电池隔膜和电极的制备方法,提出了10 kW级熔融碳酸盐燃料电池堆的组装与测试运行方法。组装并运行了120节、每节电池有效面积为0.2 m^(2)的10 kW级MCFC电堆,恒电压放电测试中,最大输出功率达16.51 kW,电流密度大于95 mA/cm^(2)。通过多次试验研究与分析,获得了一种有效的在线评价MCFC电解质隔膜焙烧效果的方法,使熔融碳酸盐燃料电池本体中隔膜、电极以及熔盐电解质三者形成良好的匹配,对提高MCFC电池堆组装成功率与长周期的运行寿命具有重要指导意义。电池堆本体开发及性能测试方法,将为后续更大功率的熔融碳酸盐燃料电池发电系统的开发提供有效的理论与试验指导,对推动MCFC的商业化示范推广等具有重要的意义。

熔融碳酸盐燃料电池阴极溶解与防护

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是一种高效、可持续发电技术,其能源转换效率高、排放净化度高,是一种极具前途的发电技术。但是,由于其高工作温度和熔融碳酸盐电解质的特殊性质,MCFC的发展一直受到阻碍。其中,阴极溶解是一个严重的问题,会导致Ni短路等一系列问题,影响燃料电池的性能和寿命。本文综述了降低熔融碳酸盐燃料电池阴极溶解的策略,简述了近年来从替代材料、涂层改性和添加剂三个方面对阴极溶解的改善研究,探讨了替代NiO材料的方案不完全可行的问题,并提出了使用涂层技术来增强NiO阴极化学性能和降低阴极溶解度的可能性。涂层技术的优缺点也被详细列举,包括溶液浸渍电镀、溶胶-凝胶工艺和原子层沉积等一系列研究进展和性能。此外,本文还探讨了增加电解液碱度和向NiO中添加碱性氧化物来减少阴极溶解的方法,但也指出添加过多氧化物会降低电池性能的风险。综合分析表明,通过开发新型添加剂和涂层技术弥补合金作为阴极材料的性能缺陷,尝试制备新型复合材料等途径,有望获得高性能、低成本的阴极材料,从而实现MCFC的大规模商业化应用。

MCFC阴极材料在熔融碳酸盐中的溶解行为及其机理

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的NiO阴极在熔融碳酸盐中的溶解以及金属镍在电解质板中的沉积造成电池短路失效,严重阻碍了MCFC的商业化进程。综述了近年来MCFC的各种阴极材料在熔融碳酸盐中的溶解行为,并初步探讨了各种改性措施提高NiO在熔融碳酸盐中稳定性的机理。

熔融碳酸盐燃料电池动态特性的研究

基于能量守恒、质量平衡原理和热力学特性,提出了熔融碳酸盐燃料电池的数学模型,该模型考虑了电解质基块内的质量传递,以及质量传递对燃料电池内部热力学特性的影响,采用加权残差(MWR)数值方法和Matlab环境的系统函数化解偏微分方程组并建立动态仿真模型。仿真表明燃料电池内部各点的温度有较大的差异,随着燃料和氧化剂量的变动(增加),电极-电解质的温度增加,而氧化剂流的温度有所下降。 模型的物理参数是从某燃料电池研究所1.5kW熔融碳酸盐燃料电池获得。

熔融碳酸盐燃料电池单体传热传质数值模拟

在分析熔融碳酸盐燃料电池性能的基础上 ,考虑了电池内的电化学反应、传热传质及电压———电流关系等影响因素 ,提出一套计算稳态条件下熔融碳酸盐燃料电池的温度与电流密度分布的数学模型。并利用它对不同气流方式 (叉流、顺流和逆流等 )的电池分别做了计算。

熔融碳酸盐燃料电池-燃气轮机混合动力系统特性分析

文中研究了由熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和燃气轮机组成的混合动力系统。在设计点工况下,MCFC电堆的发电量占系统总发电量的80%,剩下20%的电量由燃气轮机提供。文章在混合动力系统动态数学模型的基础上,结合系统运行的具体过程,通过计算分析,对混合动力系统的动态特性进行了研究。结果表明:当混合动力系统的供给燃料流量变化时,混合动力系统内部各参数均会发生显著的动态变化,从而影响混合动力系统中各部件的运行性能,导致混合动力系统的效率下降。此外,由于各部件之间复杂的相互作用,混合动力系统的负荷响应速度较慢。研究结果还表明,由于供给燃料发生变化而引起的燃气轮机转速的改变,有利于改善混合动力系统的变工况性能。

熔融碳酸盐燃料电池研究

以烧结Ｎｉ作电极，以ＬｉＡｌＯ２无机膜作电池隔膜，组装成了电极面积２８ｃｍ２的小型熔融碳酸盐燃料电池，试验了各种工作条件对电池性能的影响，电池经多次启动性能无衰减。放电电流密度１００ｍＡ／ｃｍ２，电池电压０．９５Ｖ；放电电流密度１２５ｍＡ／ｃｍ２，电池输出功率１１４ｍＷ／ｃｍ２；燃料气利用率８０％，电池能量效率６１％。

熔融碳酸盐燃料电池发电系统研究进展与展望

介绍了目前熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)发电系统的发展现状,主要针对热电联产系统、混合发电系统以及用于CO_2捕集的MCFC系统进行了总结,讨论分析了不同系统的结构特点、应用现状以及未来发展前景。目前,MCFC热电联产系统发电效率47%~60%,热电联产效率80%~90%;MCFC混合发电系统发电效率>55%,其中MCFC与微型燃气轮机组成的底层循环发电系统是发展的主流方向;基于MCFC的CO_2捕集系统的CO_2捕集率可达77%。

熔融碳酸盐燃料电池性能的研究

用流铸法制备的膜组装熔融碳酸盐燃料电池,组装可靠,重复性好。电流密度在150mA/cm^2,电压在0.90V以上;在200mA/cm^2时,输出能量密度为147mW/cm^2。考察了反应气压差,组装压力,燃料气和氧化剂利用率及温度对性能的影响,并进行了讨论。

千瓦级熔融碳酸盐燃料电池组启动与性能

采用内公用管道和高温胶来组装52节电池组,以缓慢又均匀升温和通氧燃烧电池组隔膜中的有机物,电池组成功运行。反应气压为0 5MPa,反应气利用率为20%,在150mA/cm2电流密度下放电,电池组稳定输出功率为1025 48W。反应气压升高,电池组热电效率提高;放电电流密度升高,其热电效率反而降低。

熔融碳酸盐燃料电池电解质管理

电解质管理是熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）的核心技术之一。本文针对MCFC中电解质管理问题,提出了隔膜焙烧的首次启动升温策略,即采用热压法制备电解质膜片,在电池组装之前对电解质膜片进行预处理,将电解质膜片置于马弗炉中在260℃下恒温处理5h,在隔膜焙烧的重要阶段100~450℃区间,将其升温速率控制在0.5℃/min。采用该策略制备的电解质膜片组装了225cm2 MCFC单电池,其性能测试结果表明,使用纯氢燃料时,电池性能良好,最大输出功率密度可达85.2mW/cm2。

熔融碳酸盐燃料电池实验研究

熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)是第 2代燃料电池 ,工作温度 650°C.组装了 1 2 cm× 1 0 cm的 MCFC单体电池 ,开发了电池的关键材料、烧结及升温程序 .电池以多孔陶瓷板材料 γ- Li Al O2 作为电解质支持体 ,其厚度为 0 .8mm,孔径分布 0 .1～ 0 .8μm,孔隙率 50 % ;阴极采用多孔板 Ni,厚度为 0 .8mm,平均孔径为 1 2 μm,孔隙率 55% ;阳极采用多孔板 Ni,厚度为 0 .8mm,平均孔径为 8μm,孔隙率 50 % .电池的开路电压达到 1 .1 0 V,电流密度达到 1 2 0 m A/cm2 ,工作时输出电压为 0 .65～ 0 .70 V,输出功率 5～ 1 0

熔融碳酸盐燃料电池隔膜及单电池寿命

采用数学模型推算了熔融碳酸盐燃料电池隔膜寿命,并进行了单电池运行稳定性试验。从电池隔膜阻气能力及离子传输能力两方面,提出以其最大阻气压力差Δp≥0.1MPa,孔隙率满足40%≤η≤70%作为其寿命指标。通过电池最大孔径测试法和隔膜模拟烧结孔隙率测试法,建立数学模型,推算出烧结时间为40000h所对应的隔膜最大孔径为0.9332μm,孔隙率为66.7%,皆小于其寿命指标值,这也说明,隔膜寿命超过40000h。单电池1000h寿命试验结果表明,以H2作燃料,电池性能稳定;以模拟煤气作燃料,电池性能快速衰减,主要由所发生的副反应引起。

熔融碳酸盐燃料电池发电试验研究

概述了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的结构和关键部件的功能及制备方法,组装了200mm×200 mm的MCFC单电池,电流密度最高可达到0.1 A/cm2。在单电池试验成功的基础上,设计加工了560 mm×400 mm的MCFC双极板,并组装了300 W的电池堆,电池堆最高电压3.3 V,平均电压2.8 V,最大电流达到120 A,最大功率达到200W。试验结果验证了所设计的大面积双极板的性能,为研制10 kW级MCFC提供了经验。

奥氏体不锈钢在熔融碳酸盐中的腐蚀

研究了含稀土 316S和 310S型不锈钢在 6 5 0℃下 (Li,K) 2 CO3 共晶熔盐中的腐蚀行为 .结果表明 :稀土元素能够通过促进富Cr氧化膜的形成而提高 310S不锈钢的耐蚀性能 .316L(RE)由于具有较低的Cr含量 ,其耐蚀性能劣于 310S合金 .讨论了不锈钢在熔盐中的腐蚀机理 .

熔融碳酸盐燃料电池隔膜材料和电池的开发

叙述了大连化学物理研究所在熔融碳酸盐燃料电池隔膜材料及电池方面的研究进展 ,结合自己工作及国际研发动态 ,提出对熔融碳酸盐燃料电池的研发要集中于其关键部件 。

熔融碳酸盐燃料电池ZnO/NiO阴极稳定性及电化学性能研究

以ZnO作添加物,采用流延成型法制备了ZnO/Ni复合阴极,研究其微观形貌和相组成,并应用交流阻抗谱研究了ZnO/NiO复合阴极在(Li0.62K0.38)2CO3低共熔盐中的稳定性和电化学性能.结果表明,ZnO/Ni复合阴极和Ni阴极具有基本相近的表面形貌、空隙率和孔径尺寸.ZnO的添加能显著降低NiO在熔盐中的溶解度,其中,2mol%ZnO/NiO复合阴极的NiO溶解度比纯NiO阴极的约低1个数量级,并具有较低的电荷传递电阻(接近于纯NiO值),可望成为MCFC一种很有前景的阴极材料.

千瓦级熔融碳酸盐燃料电池的实验研究

研制了千瓦级熔融碳酸盐燃料电池.该电池以多孔陶瓷板材料γ-LiAlO_2作为电解质支持体,其厚度为0.8 mm,孔径分布0.1～0.8μm,孔隙率 50％;阴极采用多孔Ni板,厚度为 0.8 mm,平均孔径为12μm,孔隙率55％;阳极采用多孔Ni板,厚度为 0.8 mm,平均孔径为8μm,孔隙率50％,千瓦级电堆由24cm×14cm的30个单体电池组成,电池内部采用顺流型气道.该电堆最大电压达到 34 V,最大输出功率为 1.1kW.

千瓦级熔融碳酸盐燃料电池组

论述了千瓦级熔融碳酸盐燃料电池组制备及组装工艺中双极板组合件、高温粘结剂、隔膜原位制备、制紧力、热量管理等技术。采用高温粘结技术制备双极板组合件 ,并在电池组启动时原位制备隔膜。由 5 2个单电池串联组成的电池组在65 0℃操作温度 ,0 .5MPa压力下 ,最大输出功率达到 10 2 5 .48W。用此高温粘结技术与湿密封相结合 ,使电池组的操作压力可达到 0 .5MPa。

熔融碳酸盐燃料电池关键部件匹配与性能诊断

为研究熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)电极、隔膜与碳酸盐电解质的匹配关系,以及关键部件匹配关系的评价方法,用流延法制备了固含量25%~40%的-LiAlO2隔膜,固含量35%和45%的电解质碳酸盐膜。将不同固含量的偏铝酸锂隔膜、碳酸盐膜与镍多孔电极组装成单电池,通过在烧结过程中测定电池开路电压的方法测试电池的性能,并对实验结果进行了计算和理论分析。实验结果表明:固含量40%的-LiAlO2隔膜,固含量45%的碳酸盐与多孔电极组装的电池具有良好的性能。计算分析结果表明,碳酸盐与隔膜的固含量质量比达到1.16时,电池性能最优。由于烧结过双电层的存在,电池的烧结过程伴随着开路电压的变化,可通过开路电压的变化趋势预测电池的性能。