熔融碳酸盐燃料电池是目前燃料电池研究的主流之一

燃料电池直接从化学能（燃料）转换为电能，具有效率高、污染小等优点，近几年来受到各方面的高度重视。熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）在高温下工作（约650C），可以利用排p气余热和燃气轮机混合发电，因而有更高效率，是目前燃料电池研究的主流之一。

以往对MCFC燃料电池研究取得了许多成果，Proect）2.85MW的MCFC演示工程，上海交通大学研究成功的15kW的MCFC和正在研究的100kW的MCFC等。尽管如此，作为新一代的能源系统，燃料电池工作机理的许多方面，无论是电化学反应过程，还是热量质量传递过程，无论是电池内部氧化剂、燃料的流动过程，还是燃料电池的稳态和动态特性都需要进一步开展研究，只有在掌握规律的基础上，才能把这些过程组织好，使燃料电池真正能成为高效清洁的能源系统。

本文的重点是研究MCFC电池的动态特性。动态特性的探索不仅对燃料电池本身的温度分布、流动状态、性能变化规律的揭示是非常必要的，而且也为燃料电池与燃气轮机结合形成混合系统提供必不可少的基础数据。本文研究的MCFC模型的许多物理参数是从上海交通大学燃料电池研究所15kW的熔融碳酸盐燃料电池得到。

MCFC的内部特性单体的熔融碳酸盐燃料电池一般是平板型的，由电极-电解质、燃料流通道、氧化剂流通道和上下隔板组成，见。

燃料电池的工作过程为：燃料流中的H2在阳）发生氧化反应，和电解质中的C3-离子作用生成H2O和C2，释放出电子：+2e，氧化剂流中的O2在阴极（Cathode）和CO2作用，并捕获电子，生成CO3-进入电解质：（1/2）O2+CO2+2eCO3-，然后CO32-游离扩散到燃料流的Anode，补充消耗的CO3'Anode产生的电子通过外电路结ICathode，从而构成了一个包括电子传输和离子移动在内的芫整的回路。电化学反应的强度可以用单位时间内电极板-电解质上单位面积参加电化学反应物质的摩尔数来表示，即电化学反应率为可以看到电化学反应过程伴随着强烈的传质过程，上述工作过程已经说明了O2、CO2、CO3-、H2O的流向。燃料流中每消耗2g物质（玛），就有60g（1/2O2和CO2）物质从氧化剂一侧进入电极，形成CO3-，并穿越电解质，进入燃料流变成CO2和H2O，这个强烈的传质过程对燃料电池内部热力学特性的影响是显著的。传质强度可以用质量传递率来表示燃料电池内的热量产生和传递过程结合可以分析如下，电池内部产生的热量包括电化学反应产生的热量和电流产生的电阻热。电化学反应热主要是水的生成热，单位面积电化学反应热为/mol；DS为生成水的熵变，/（mol.K）；7；为电极板-电解质的平均温度，K.单位面积电流产生的电阻热为除了电化学反应热和电阻热外，还有燃料流、氧化剂流带入带出燃料电池的热量。下一节将建立热量和质量平衡方程，形成燃料电池动态过程的数学模型。

单体MCFC微元传质传热示意图MCFC的动态过程数学模型3.1概述在燃料电池内部热能传递的方式有：质量传递引起的传热燃料和氧化剂流对电极-电解质和隔板之间的相互对流传热电极-电解质和隔板之间的辐射传热等。

在数学建模中假定电解质基板与两电极温度相同；燃料电池固体外表面和周围环境间无热量传递即为绝热边界。设Pi、Cf、Wf分别为第i种物质的密度、质量热容和克分子量，/=1，7依次对应H2、CH4、CO、CO2、H2O、N2和O2这7种物质。在燃料电池x处，取微元dx进行分析（见、），根据质量守恒和能量平衡原则有以下燃料通道、氧化剂通道、电极-电解质和隔板的基本方程。

3.2燃料流微元方程质量守恒方程表达为：流出微元dx的燃料流质量G2a等于流入dx的燃料流减去分流进入电极的玛，加上由阳极来的CO2和H2O，即：守恒方程的基础上可以建立能量守恒方程微元dx输入能量由燃料流带入热量、C2和H20质量传递从阳极带入热量、阳极与燃料流间对流换热、隔板与燃料流间对流换热等组成：W2由燃料流带出热量、H2去阳极带走热量组成：ydx%，由能量平衡求出燃料流微元方程燃料流的密度和质量热容；ea、为燃料流与电极-电解质、隔板的对流换热系数；Sa为燃料流通道高度。

3.3氧化剂流微元方程质量守恒方程为流出微元dx的氧化剂流质量Ac等于流入dx的氧化剂流减去分流进入阴极热量、阴极与氧化剂流间对流换热、隔板与氧化剂流间对流换热等组成微元输出能量W2由氧化剂流带出热量、1/22和C2质量传递去阴极带走热量组成W2=上积分，并令积分值为零，得到求解待定系数的常微分方程组（20个）。采用数值方法，利用Matlabsystemfunction坏境的功能函数，建立仿真模型，并进行仿真试验。

4.2动态仿真及分析燃料电池性能计算一般由电化学和传热传质两类计算组成。电化学方面的计算，在已知温度分布的条件下可求解电压、内阻值、电流密度的分布和燃料（反应气体）利用率的分布，初步计算时，温度分布未知，往往先取一个常数；本文属于传热传质方面的计算，而且把重点放在动态性能计算，以往的文章均为稳态性能计算，国外MCFC的动态计算也未见详细报道，这类计算在已知内阻值、燃料利用率分布的条件下可求解工质、电极电解质、PT板的温度分布，在初步计算时内阻值、燃料利用率分布未知，先取为常数，然后计算出温度分布，再用于电化学计算。这两类计算交替进行、相互补充、逐步逼近。

在计算时燃料电池整体初温为600C，即作时，燃料流的入口流量Fa组份为H260%+CO220%+H2O15%整个仿真过程可分成两个阶段第一阶段启动过程，在第0s加入燃料和氧化剂，燃料电池开始工作，到从0.6上升到0.9mol/s从1.8上升到2.7mol/s电极-电解质温度T；-广（燃料流温度Ta-r隔离板温度T；（a）燃料电池温度特性（x=01）从从18上升到/电极-电解质温度7；燃料流温度Ta隔离板温度7；电池内部各点的温度稳定，可以获得启动过程的仿真动态特性（050s）；第二阶段燃料流量突变过程，在第50s燃料和氧化剂流量都阶跃增加可以获得燃料阶跃变动引起的仿真动态特性）曲线。选择入口（x=01），中旬（x=0.5）和出口（x=0.9）附近点进行仿真研究，获得相应的温度特性曲线见，从温度特性曲线分析可得：（1）燃料电池内部各点的温度有较大不同。

在启动过程，随着x的增加，各点的温度均有所提高，同一x时电极电解质的温度高于燃料流通道、隔板和氧化剂通道的温度。入口处附近的温度较低，出口处附近的温度较高，启动过程稳定后，电极-电解质的出入口附近的温度差较大约2030C，燃料、隔板的出入口附近的温度差较大约515C，氧化剂的温度变动范围小于2C.）随着燃料和氧化剂流量的增加，电极电解质的温度有明显的增加，当燃料K和氧化剂兄增加1/3电极电解质的温度增加了515C，燃料、隔板的温度略有增加，大约在1C范围内变动，氧化剂的温度略有下降。这是因为燃料和氧化剂流量阶跃增加，使电化学反应率7也阶跃增大，反应热增加，同时电流量增大弓丨起电阻热增加，反映出电解质~电极的温度有快速增加的响应过程；对氧化剂而言，7阶跃增大，传质引起的1/2O2和CO2带出热量使氧化剂的温度有突然下降的响应过程；燃料、隔板的温度小范围变动，则是电解质~电极、氧化剂等因素综合引起的。）仿真模型中的温度是x截面的平均值，温度特性曲线上的温度值也是平均值，实际上有些局部的温度变动可能要大得多，如电极板上发生氧化反应，放出热量，使电极板的温度高于平均温度，当有燃料量突然增加时，电极板瞬时的温度要比电极电解质平均温度高得多；而由于氧化剂流的温度较低，电极板的温度低于平均温度，当有燃料和氧化剂量突然增加时，由于质量传递，引起电极板瞬时的温度要比电极电解质平均温度低得多，这种现象已经在实际试验中得到了证实。

5结论燃料电池内部各点的温度有较大的不同，燃料电池内部复杂的质量传递是引起热力学温度特性变化的重要因素之一。

对于燃料和氧化剂同向输入的顺流型，入口处的温度较小，随着入口距离增加，电极-电解质、燃料流和隔板的温度均增加其中电极-电解质的温度增加显著，但氧化剂流的温度几乎不变。

燃料和氧化剂的输入量变化引起的动态特性是复杂的，随着输入量增加，电解质-电极的温度明显增加，氧化剂流的温度有所下降。