新能源材料熔融碳酸盐燃料电池.pptx
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1、工作原理如下图:工作原理如下图:电池反应方程式:电池反应方程式:阴极:阴极:CO2+1/2O2+2e-CO32-阳极:阳极:H2+CO32-H2O+CO2+2e-总反应:总反应:H2+1/2O2+CO2(阴极)阴极)H2O+CO2(阳极)阳极)二、二、技术特点技术特点1、由于、由于MCFC的工作温度为的工作温度为650700,属于高温燃料,属于高温燃料电池,其电池,其本体发电效率较高本体发电效率较高,不需要贵金属作催化剂;不需要贵金属作催化剂;2 2、既可以使用纯氢作燃料,又可以使用由天然气、甲烷、既可以使用纯氢作燃料,又可以使用由天然气、甲烷、石油、煤气等转化产生的富氢合成气作燃料,可石油、
2、煤气等转化产生的富氢合成气作燃料,可使用使用的燃料范围大大增加的燃料范围大大增加;3 3、排出的废热温度高排出的废热温度高,可以直接驱动燃气轮机,可以直接驱动燃气轮机/蒸汽机蒸汽机进行复合发电,进行复合发电,进一步提高系统的发电效率进一步提高系统的发电效率。三、目前试验与研究的工作重点三、目前试验与研究的工作重点:1、应用基础研究主要集中在解决电池材料抗熔盐腐蚀方面,、应用基础研究主要集中在解决电池材料抗熔盐腐蚀方面,以期延长电池寿命;以期延长电池寿命;2、试验电厂的建设正在全面展开,规模已达、试验电厂的建设正在全面展开,规模已达1MW2MW。第二节第二节 熔融碳酸盐燃料电池的技术现状熔融碳酸
3、盐燃料电池的技术现状一、国外的技术现状一、国外的技术现状1、美国美国 主要由主要由FCE公司进行开发,已经实现商业化。公司进行开发,已经实现商业化。目前目前FCE公司出售的主打产品为公司出售的主打产品为DFC300型型250kW MCFC发发电模块,售价电模块,售价100万美元左右。万美元左右。FCE公司公司MCFC发电规模在发电规模在2002年达到年达到50MW/年;年;2004年年FCE公司的公司的MCFC生产能力由生产能力由50MW/年逐渐增加到年逐渐增加到400MW/年。年。2、日本日本 始于始于1981年的年的“月光计划月光计划”,1991年后转为重年后转为重点,每年在燃料电池上投入
4、的费用为点,每年在燃料电池上投入的费用为12亿亿15亿美元。亿美元。主要承担者和推动者是东京电力公司、关西电力公司等。主要承担者和推动者是东京电力公司、关西电力公司等。发展历程:发展历程:1kW级级10kW级级1000kW级。级。3、德国德国 主要由主要由Daimler Chrysler公司的子公司公司的子公司MTU承承担。从担。从FCE公司购入了常压内部改质型公司购入了常压内部改质型250kW MCFC电电池组。池组。4、韩国韩国 主要由韩国电力公司研究院和韩国科学技术研主要由韩国电力公司研究院和韩国科学技术研究院进行外部改质型究院进行外部改质型MCFC的研究开发。的研究开发。25kW100
5、kW250kW。二、国内技术现状二、国内技术现状2001年成功进行了年成功进行了1kW熔融碳酸盐燃料电池组的发电试熔融碳酸盐燃料电池组的发电试验。验。国家科技部在国家科技部在“十五十五”863高技术计划能源开发的具体的高技术计划能源开发的具体的研发目标为:掌握研发目标为:掌握MCFC的设计制造及发电系统集成的设计制造及发电系统集成技术;建成技术;建成50kW级的示范发电装置;在关键部件与材级的示范发电装置;在关键部件与材料制备方面取得突破与创新。料制备方面取得突破与创新。上海交通大学与上海汽轮机有限公司合作,已完成了上海交通大学与上海汽轮机有限公司合作,已完成了50kW MCFC发电外围系统的
6、建设,发电外围系统的建设,10kW的的MCFC电电池组已经制作完成。池组已经制作完成。A component module from a 1966 molten carbonate fuel cell made for the U.S.Army.A Texas Instruments molten carbonate fuel cellmade for the U.S.Army around 1964.M-C Powers molten carbonate fuel cell power plant in San Diego,California,1997.由高温气化炉提供部分燃料的熔融碳酸盐
7、燃料电池。由高温气化炉提供部分燃料的熔融碳酸盐燃料电池。右侧圆筒型部分是燃料电池组模块。左为辅助设备。后面右侧圆筒型部分是燃料电池组模块。左为辅助设备。后面是微型燃气轮机单元。是微型燃气轮机单元。(日本)(日本)第三节熔融碳酸盐燃料电池的关键材料与制备第三节熔融碳酸盐燃料电池的关键材料与制备一、隔膜材料一、隔膜材料电解质隔膜至少应具备以下电解质隔膜至少应具备以下三方面的功能三方面的功能:隔离电池阳极与阴极的电子绝缘体;隔离电池阳极与阴极的电子绝缘体;碳酸盐电解质的载体,碳酸盐电解质的载体,CO32-离子运动的通道;离子运动的通道;浸满熔盐后是气体的不透层。浸满熔盐后是气体的不透层。目前被普遍使
8、用的隔膜基本材料为目前被普遍使用的隔膜基本材料为LiAlO2。MCFC电解质隔膜的电解质隔膜的性能性能应满足:应满足:有较高的机械强度,无裂缝,无大孔;有较高的机械强度,无裂缝,无大孔;在工作状态下,隔膜中应充满电解质,并具有良好的保持在工作状态下,隔膜中应充满电解质,并具有良好的保持电解质性能;电解质性能;具有良好的电子绝缘性能。具有良好的电子绝缘性能。隔膜材料隔膜材料LiAlO2的晶型比较的晶型比较晶型晶型晶系晶系外形外形密度(密度(g/cm3)六方六方棒状棒状3.400斜方斜方针状针状2.610四方四方片状片状2.6151、-LiAlO2粗料制备粗料制备 Al2O3+Li2CO3=2Li
9、AlO2+CO2400500反应反应5h,500650反应反应10h,650700反应反应10h。产物粒度范围为产物粒度范围为2.710um。2、-LiAlO2粗料制备粗料制备-LiAlO2粗料在粗料在900焙烧焙烧30h左右所得。左右所得。产物粒度为产物粒度为4.0um。3、“氯化物氯化物”法制备法制备-LiAlO2细料细料2AlOOH+Li2CO3=2LiAlO2+CO2+H2O(反应中加入(反应中加入NaCl+KCl摩尔比摩尔比=1/1,加入量大于总,加入量大于总反应物的反应物的50%)p用反应物料用反应物料Li2CO3+AlOOH制得粒度为制得粒度为0.33um;p用反应物料用反应物料
10、LiOHH2O+AlOOH制得粒度为制得粒度为0.45um。4、-LiAlO2细料制备细料制备-LiAlO2细料在细料在900反应几小时。反应几小时。粒度粒度 0.18um。反应温度为反应温度为8000C时凝胶法制备的时凝胶法制备的LiAlO2粉体粉体(a)硝酸铝为原料)硝酸铝为原料 (b)氧化铝为原料)氧化铝为原料二、隔膜的制备二、隔膜的制备流延法(流延法(tape casting)是一种适合于大规模制备陶瓷支)是一种适合于大规模制备陶瓷支持体和多层结构陶瓷的方法。现普遍用于持体和多层结构陶瓷的方法。现普遍用于MCFC隔膜制备。隔膜制备。陶瓷粉体陶瓷粉体 增塑剂增塑剂 球磨球磨 二次球磨二次
11、球磨 脱气泡脱气泡 浇注浇注 干燥干燥 叠层叠层 存放存放 溶剂分散剂溶剂分散剂 粘结剂粘结剂 tape casting 工艺流程图工艺流程图三、隔膜的性能三、隔膜的性能隔膜中起保持碳酸盐电解质作用的是亲液毛细管。隔膜中起保持碳酸盐电解质作用的是亲液毛细管。P=2cos/rP毛细管承受的穿透气压;毛细管承受的穿透气压;r毛细管半径;毛细管半径;电解质表面张力系数,电解质表面张力系数,(Li0.62K0.38)2CO3=0.198N/m;电解质与隔膜体的接触角,假设完全浸润,则电解质与隔膜体的接触角,假设完全浸润,则=00。若要求若要求MCFC隔膜可承受阴隔膜可承受阴、阳极压力差为、阳极压力差为
12、0.1MPa,可计算出隔膜孔半径应不大于,可计算出隔膜孔半径应不大于3.96um。隔膜孔内浸入的电解质起离子传导作用。隔膜孔内浸入的电解质起离子传导作用。=0/(1-a)2隔膜的电阻率;隔膜的电阻率;0电解质电阻率,电解质电阻率,(Li0.62K0.38)2CO3650=0.5767cm a隔膜中隔膜中LiAlO2所占的体积分数;所占的体积分数;1-a隔膜的孔隙率。隔膜的孔隙率。孔隙率可控制在孔隙率可控制在50%70%。隔膜应具有小的孔半径和大的孔隙率。隔膜应具有小的孔半径和大的孔隙率。隔膜性能指标隔膜性能指标:厚度:厚度0.30.6mm,孔隙率,孔隙率60%70%,平均孔径,平均孔径0.25
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