关于燃料电池的特性

熔融碳酸盐电池(MCFC)

MCFC属高温燃料电池，其工作温度在600～650℃。作为第二代燃料电池在近10余年来获得了长足进展。MCFC被美国认为是下一世纪的燃煤电厂的光明未来。美国投巨资建造了一座2MW的MCFC工厂。日本也在准备开发1MW的MCFC工厂。MCFC的电解质采用碳酸锂和碳酸钾构成的共晶混合物，离子导体是碳酸根。单电池系统由一个阳极、一个阴极及电解质组成。氧和CO2阴极反应形成碳酸根，碳酸根通过熔盐电解质扩散到阳极，与此同时碳酸根与氢反应将氢氧化，给出电子，进入外电路。MCFC采用重整产物如气态CO和H2的混合物作燃料。电极反应是：

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

迁移反应：CO+H2O→H2+CO2;

阴极：1/2O2+CO2+2e-→CO32-;

总反应：H2+1/2O2→H2O。

通过该化学反应方程式可知如果要产生2F的电量，阴极必须消耗1molCO2，而阳极则产生1molCO2。因此为保持电解质成分不变，需要使CO2实现循环。

MCFC的优点：

(1)较高的工作温度。由于电极反应活化能较小，不论是氢的氧化还原，还是氧的还原，都不需要高效催化剂，不用使用贵金属，使成本降低;

(2)余热高。电池排放的余热温度高达400℃，可以回收利用，总效率以可达90%以上;

(3)燃料气体对CO含量要求降低，可以直接使用如煤制气等燃料;

(4)可以不用水冷却，尤其适用于缺水的偏远地区。

缺点：

(1)将阳极产生的CO2重新输送到阴极，需增加CO2循环系统，增加了电池系统结构的复杂性;

(2)高温工作环境以及强的腐蚀性电解质对电池各种材料的耐腐蚀性要求严格，影响电池寿命;

(3)电池边缘的高温湿密封技术难度大，特别是在遭受腐蚀严重的阳极区。

固体氧化物燃料电池(SOFC)

SOFC是一种全固态发电系统，它是以固体氧化物为电解质在高温环境下(约1000℃)工作，以确保其各部分元件有适当的离子和电子导电率。其剖面如图5所示。氧离子(O2-)是阴极与电解质的界面电子将电荷转移给氧分子以所产生。氧离子与阳极板表面的H2和CO结合分别产生H2O和CO2，并释放电子连通电路。各电极反应为：阴极：1/2O2+2e-→O2-;阳极：H2+O2-→H2O+2e-;电池总反应：H2+1/2O2→H2O(CO+1/2O2→CO2)。

持续向SOFC的阳极一侧通入气体燃料，如氢气(H2)、甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)等，阳极表面呈多孔结构并且具有催化作用，利用阳极表面吸附燃料气体，通过多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。向阴极一侧持续通入氧气或空气，阴极板结构与阳极相同，利用阴极表面的多孔结构吸附氧，并且通过催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，氧离子进入电解质，利用浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，电子利用电压差通过外电路回到阴极。

SOFC的优点包括：

(1)不必使用贵金属作催化剂，可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料;

(2)较高的电流密度及功率密度;

(3)提供高质余热，实现热电联产。燃料综合利用率高(可达90%以上)，是一种清洁高效的能源系统;

(4)没有使用酸碱电解质或熔盐电解质，避免了中、低温燃料电池的腐蚀及封接问题;

(5)采用陶瓷材料作阴极、阳极及电解质，具有全固态结构。缺点是对陶瓷材料的性能要求高、组装困难、预热和冷却系统复杂、成本高、不易建立。