熔融碳酸盐型燃料电池技术与发展

燃料电池以其高效率、低污染和灵活等显著优点而倍受人们的关注。该文给出了燃料电池的种类与用途；重点介绍了熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）的现状；可逐步取代一部分火力发电装置，1999年日本1000kW的MCFC发电时间近5000h，美国的一台250kW MCFC也工作了1万多小时；指出了阴极的镍的溶解等四个技术关键；并指出提高MCFC的工作压力到1.5MPa和发展高密度输出，密度目标达300mA/cm^2是今后发展的方向。

日本1000kW级熔融碳酸盐型燃料电池的开发现状及展望

日本１０００ｋＷ级熔融碳酸盐型燃料电池的开发现状及展望传统型火力发电是通过燃烧把石油、煤炭等燃料的化学能转换成热能，再利用汽轮机变成动能，并通过发电机获得电能，过程很复杂。而燃料电池则是利用电解的逆化学反应，仅一个过程就能把燃料的化学能变成电能，并且...

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。

不同控制方式对熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合动力系统运行特性的影响

对不同控制方式下熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机(molten carbonate fuel cell/micro-gas turbine,MCFC/MGT)混合动力系统非设计工况下的运行特性进行了分析。为使混合动力系统在部分负荷时有好的运行特性,提出了不同的控制方式,并将系统和部件在不同控制方式下的运行特性进行了比较。结果表明,在不同的控制方式下系统的特性会发生明显的变化。其中,变转速控制使系统有较好的性能,但这种控制方式会导致压气机在低转速下发生喘振。对燃气轮机的分析结果表明,由于压损的增大以及压气机和透平效率的下降,最终导致燃气轮机的输出功下降。

小型熔融碳酸盐燃料电池及电池堆的性能

以辊轧工艺制备的多孔金属镍板作阳极 ,多孔氧化镍板作阴极 ,以流延法制备的LiAlO2 陶瓷膜为电解质板 ,以(Li0 .62 K0 .3 8) 2 CO3 为电解质 ,组装了电极面积为 12 0和 3 12cm2 的单电池 ,考察了单电池在升温过程中开路电压和内阻的变化情况 ,以及不同的工作条件对电池和输出功率的影响。在单电池发电成功的基础上 ,分别组装了由 3片和 8片单电池构成的电极面积为 3 2 8.8cm2 的小型熔融碳酸盐燃料电池堆 ,并测定了电池堆的电压和输出功率。试验表明 ,随着工作温度的提高 ,单电池和电池堆的开路电压和输出功率均显著提高 ,并且 ,经过若干天的连续发电 ,其电压和输出功率基本不变 ,说明自制的LiAlO2 电解质板具有良好的热机械强度 ,而电极材料也保持了良好的电催化性能。试验还表明 ,在相同的工作条件下 ,由 3片和 8片相同的单电池组成的电池堆的电压和输出功率分别为单片电池的 3倍和 8倍 ,这表明使用该结构的单电池有望串联成输出功率更高的较大型的电池堆 ,以满足熔融碳酸盐燃料电池的基础研究之用。

熔融碳酸盐燃料电池电堆的输出电压模型

为保证熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)电堆可靠、高效和安全地运行 ,要求保持输出电压的恒定。根据MCFC电堆发电过程中物质与电量的平衡 ,分析了顺流型电堆的内部动态特性 ,就输出电压与燃料气体利用率和电流密度等相关量建立了由一组变系数偏微分方程和积分方程描述的数学模型 ,并从外部负载扰动的角度讨论了各状态量之间的相互关系。仿真结果证实了分析和建模的正确性。

基于熔融碳酸盐燃料电池的新型分布式发电技术

介绍了分布式发电技术及燃料电池的特点和研究现状,以及熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)作为分布式电站的工作原理和结构。分析了当前国内外最新MCFC发电技术的研究现状,指出了我国MCFC发电技术开发有待解决的主要课题,如关键技术的国产化、发电成本的降低等。

新型熔融碳酸盐燃料电池阴极的制备及其溶解性的研究

以LiNO_3和Co(NO_3)_2·6H_2O为原料,以柠檬酸为燃料,采用燃烧合成法制备了LiCoO_2包覆的多孔NiO阴极。X射线衍射技术(XRD)、X射线能量散射谱(EDAX)和电子显微镜(TEM和SEM)分析表明,NiO颗粒表面的包覆层是由尺寸小于100纳米的LiCoO_2微粒构成,并与NiO颗粒紧密烧结在一起,有效地减少了NiO与熔融碳酸盐的接触面积,降低了氧化镍的溶解度。

顺流型熔融碳酸盐燃料电池单体性能研究

研究高效发电方法问题,燃料电池内部的温度、电流密度和反应气体浓度等参数分布对燃料电池的安全高效运行具有重要影响。全面考虑了熔融碳酸盐燃料电池内部电特性和热特性,为提高预测电池性能的准确性,提出了一整套熔融碳酸盐燃料电池单体二维数学模型,并在VC++环境下利用模型对顺流形式的熔融碳酸盐燃料电池单体的主要性能参数进行了稳态数值仿真。得出了燃料电池内部的温度、电流密度和反应气体浓度等参数的变化趋势,证明了建立的仿真模型能够有效的反映燃料电池内部的温度场、电流密度场和反应气体组分场稳态的特性,结果表明对熔融碳酸盐燃料电池的设计及运行具有一定的参考价值。

顺流型、对流型熔融碳酸盐燃料电池电堆温度分布模型求解与比较

根据熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)电堆内部物质能量流动分析得出的温度分布数学模型是一组偏微分方程组 .用加权剩余法对顺流型和对流型 MCFC偏微分方程组进行求解 ,用 Mathe-matica软件编写程序计算得到结果 .在此基础上比较了上述两种不同流型的优缺点 .所得结论对MCFC的流场设计有一定意义 .

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。

三种流动型式的熔融碳酸盐燃料电池单体性能数值分析

介绍自行研制的10cm×10cm单体熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cells,MCFC)的实验研究结果,并以自制单电池稳定放电实验数据为基础,分析拟合出电池电流密度–电压间的线性关系,计算出当前工艺水平电池的单位面积有效阻抗。结合理论分析建立相应的数学模型,利用数值模拟方法预测对比相同结构的1 m×1 m MCFC单电池局部温度、电流密度和氢气浓度等关键参数的分布状况,阴、阳极气流采用叉流、顺流和逆流3种组织型式。模拟计算结果表明:叉流型局部最高温度值最大,容易产生热点,逆流反应最激烈,局部电流密度的跨度范围最大,顺流局部温度与电流密度分布最均匀。

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-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。

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%。

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。