第五章燃料电池之磷酸燃料电池-3

1、LOGO燃料电池燃料电池中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院磷酸型燃料电池磷酸型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFCPhosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）5.3 磷酸型燃料电池5.3.1磷酸型燃料电池概述 vPAFC以磷酸为电解质，磷酸在水溶液中易离解以磷酸为电解质，磷酸在水溶液中易离解出氢离子，并将阳极（燃料极）反应中生成的氢出氢离子，并将阳极（燃料极）反应中生成的氢离子传输至阴极（空气极）。离子传输至阴极（空气极）。v阳极：阳极：H2 2H+2e-v阴极：阴极：1/2O2+ 2H+2e-

2、 H2Ov总反应：总反应： 1/2O2+ H2 H2Ov电极必须有高活性、长寿命的电催化特性，还应电极必须有高活性、长寿命的电催化特性，还应有良好的多孔扩散功能，使电极能维持稳定的三有良好的多孔扩散功能，使电极能维持稳定的三相反应界面。相反应界面。 PAFC优缺点优点：与优点：与MCFC、SOFC等高温燃料电池相比，等高温燃料电池相比，PAFC系统工作温度适中，构成材料易选；启动时间短，稳系统工作温度适中，构成材料易选；启动时间短，稳定性良好，产生的热水可直接作为人们日常生活使用，定性良好，产生的热水可直接作为人们日常生活使用，余热利用效率高；与余热利用效率高；与AFC（燃料气中不允许含（燃料

3、气中不允许含CO2和和CO)及及PEMFC（燃料气中不允许含（燃料气中不允许含CO)等低温型燃料等低温型燃料电池相比，具有耐燃料气及空气中的电池相比，具有耐燃料气及空气中的CO2能力，能力，PAFC更能适应各种工作环境。更能适应各种工作环境。缺点：与缺点：与PEMFC一样，一样，PAFC须采用贵金属催须采用贵金属催化剂，易为燃料气中化剂，易为燃料气中CO毒化，对燃料气的净化处理要毒化，对燃料气的净化处理要求高；磷酸电解质具有一定腐蚀性。求高；磷酸电解质具有一定腐蚀性。5.3.2工作条件工工 作作条条 件件工作温度工作温度工作压力工作压力燃料利用率燃料利用率氧化剂利用率氧化剂利用率燃料气组成燃料

4、气组成180-210磷酸的蒸汽压、材料耐腐蚀性磷酸的蒸汽压、材料耐腐蚀性能、电催化剂耐能、电催化剂耐CO能力及电池能力及电池性能要求，研究表明，提高工性能要求，研究表明，提高工作温度能使作温度能使PAFC效率更高。效率更高。工工 作作条条 件件工作温度工作温度工作压力工作压力燃料利用率燃料利用率氧化剂利用率氧化剂利用率燃料气组成燃料气组成常压至几百千帕常压至几百千帕小功率采用常压操作，大功小功率采用常压操作，大功率的大多采用加压操作，较率的大多采用加压操作，较大压力下大压力下PAFC电化学反应速电化学反应速率加快、发电效率提高。率加快、发电效率提高。工工 作作条条 件件工作温度工作温度工作压力

5、工作压力燃料利用率燃料利用率氧化剂利用率氧化剂利用率燃料气组成燃料气组成是指在燃料电池内部转化是指在燃料电池内部转化为电能的氢气量与燃料气为电能的氢气量与燃料气中所含的氢气量之比，中所含的氢气量之比，PAFC为为70-80%。工工 作作条条 件件工作温度工作温度工作压力工作压力燃料利用率燃料利用率氧化剂利用率氧化剂利用率燃料气组成燃料气组成PAFC为为50-60%工工 作作条条 件件工作温度工作温度工作压力工作压力燃料利用率燃料利用率氧化剂利用率氧化剂利用率燃料气组成燃料气组成典型的典型的PAFC燃料气中约燃料气中约含含80%H2、20%CO2以及以及少量少量CH4、CO与硫化物。与硫化物。

6、5.3.3电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元单电池单电池电极支持层电极支持层电极（燃料极与空气极）电极（燃料极与空气极）双极板双极板介于两电极之间富介于两电极之间富含浓磷酸的电解质层含浓磷酸的电解质层中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院1）电池本体：）电池本体：单电池构造：单电池构造： PAFC单电池的基本构成如图所示单电池的基本构成如图所示 磷酸型燃料电池

7、磷酸型燃料电池(单电池单电池)基本构造图基本构造图中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 单电池外形为正方形层状结构，边长为单电池外形为正方形层状结构，边长为70-100cm，厚度约为，厚度约为5mm，它包括电极支持层、电，它包括电极支持层、电极极(燃料极与空气极燃料极与空气极)、集流、集流-隔板、介于两电极之隔板、介于两电极之间的含浓磷酸的电解质层。间的含浓磷酸的电解质层。电极支持层与电极保持一定的孔隙率以维持足够电极支持层与电极保持一定的孔隙率以维持足够的透气性，电极催化剂层由铂与合金载体组成，的透气性，电极催化剂层由铂与合金载体组成，铂负载量约为铂

8、负载量约为0.2-0.75mg/cm2。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院电极与隔板必须具有良好的导电性、耐腐蚀性电极与隔板必须具有良好的导电性、耐腐蚀性和较长的寿命。和较长的寿命。根据电极与隔板的结构形式，根据电极与隔板的结构形式，PAFC单电池分单电池分为槽形电极型与槽形隔板型。为槽形电极型与槽形隔板型。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 典型典型PAFC结构图结构图(a)槽形电极型，槽形电极型，(b)槽形隔板型槽形隔板型中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 2

9、)电池堆构造电池堆构造: PAFC单电池的电压特性为单电池的电压特性为0.7v (当当i200mmA/cm2时时)。为了提高电池工作电压，。为了提高电池工作电压，获得较高功率，必须将单电池层层叠加组成获得较高功率，必须将单电池层层叠加组成PAFC电池堆。电池堆。PAFC电池堆包括电池堆包括电极电极(燃料极与燃料极与空气极空气极)、含磷酸的电解质层、集流、含磷酸的电解质层、集流隔板、冷隔板、冷却板、各种类型物料管及其他辅助元件等关键部却板、各种类型物料管及其他辅助元件等关键部件。件。 在在PAF电池堆中，每隔电池堆中，每隔5-7个单电池个单电池就设置一就设置一块块冷却板冷却板。通常通常1个电池堆

10、可以组成个电池堆可以组成500-800kw级发电装置，对于容量更大的电站系统，则由数级发电装置，对于容量更大的电站系统，则由数组电池堆组合而成。组电池堆组合而成。电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元燃料转化过程包括脱硫、催化重燃料转化过程包括脱硫、催化重整转化与一氧化碳变换三个反应整转化与一氧化碳变换三个反应过程过程燃料转化系统中每个过程操作条件电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元冷却冷却方式方式水冷式水冷式空冷式空冷式绝缘油冷却绝缘油

11、冷却冷却水的冷却水的温度大约温度大约在在160-180电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元冷却冷却方式方式水冷式水冷式空冷式空冷式绝缘油冷却绝缘油冷却沸水冷却沸水冷却加压水冷却加压水冷却电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元冷却冷却方式方式水冷式水冷式空冷式空冷式绝缘油冷却绝缘油冷却利用空气强利用空气强制对流而将制对流而将燃料电池产燃料电池产生的热量移生的热量移走。走。电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热

12、量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元冷却冷却方式方式水冷式水冷式空冷式空冷式绝缘油冷却绝缘油冷却特点是排热特点是排热系统简单，系统简单，操作稳定可操作稳定可靠靠电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元冷却冷却方式方式水冷式水冷式空冷式空冷式绝缘油冷却绝缘油冷却由美国由美国Englhard公公司研究开发。适用司研究开发。适用于小型现场型燃料于小型现场型燃料电池系统。电池系统。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 冷却方式：冷却方式：在在PAFC电池堆中，有电池堆中，有3

13、种不同冷却方式，即水冷种不同冷却方式，即水冷却、空气冷却和绝缘油冷却。一般来讲，水冷却却、空气冷却和绝缘油冷却。一般来讲，水冷却式的冷却效果优于其他两种方式，对于大规模电式的冷却效果优于其他两种方式，对于大规模电站系统更是如此。站系统更是如此。空气冷却比水冷却简单，适合空气冷却比水冷却简单，适合小规模发电装置小规模发电装置，但空气冷却需要较多的辅助动，但空气冷却需要较多的辅助动力设备以促进空气循环，发电系统净效率将会降力设备以促进空气循环，发电系统净效率将会降低。低。 从冷却效果与系统复杂程度比较，绝缘油冷却从冷却效果与系统复杂程度比较，绝缘油冷却方式介于水冷却与空气冷却两者之间，它的整个方式

14、介于水冷却与空气冷却两者之间，它的整个系统系统比较紧凑、简单，且不易腐蚀比较紧凑、简单，且不易腐蚀。下表对。下表对PAFC系统中采用的三种冷却方式特点进行了比较。系统中采用的三种冷却方式特点进行了比较。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 PAFC系统中常用冷却方式比较系统中常用冷却方式比较中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院绝缘油冷却管模式图绝缘油冷却管模式图电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量

15、管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元逆变器逆变器过程控制系统过程控制系统将燃料电池系统将燃料电池系统生产的直流电转生产的直流电转换成交流电换成交流电电池系统组成组成组成燃料电燃料电池本体池本体燃料转燃料转化装置化装置热量管热量管理单元理单元系统控系统控制单元制单元逆变器逆变器过程控制系统过程控制系统设计的基本准则是设计的基本准则是有效的管理响应相有效的管理响应相时间相异的各个过时间相异的各个过程程5.3.4关键材料关键关键材料材料电催化剂电催化剂电解质电解质隔膜隔膜双极板双极板Pt/C催化剂催化剂先将铂氯酸先将铂氯酸转化为铂络转化为铂络合物，再由合物，再由铂络合物制铂络合物制备高分散备

16、高分散Pt/C催化剂催化剂从铂氯酸的水从铂氯酸的水溶液出发，采溶液出发，采用特定的方法用特定的方法制备纳米级高制备纳米级高分散的分散的Pt/C电电催化剂催化剂关键材料关键关键材料材料电催化剂电催化剂电解质电解质隔膜隔膜双极板双极板Pt/C催化剂催化剂合金催化剂合金催化剂在已制备好的纳在已制备好的纳米级米级Pt/C催化剂催化剂上浸渍化学计量上浸渍化学计量的过渡金属盐（的过渡金属盐（如硝酸盐或氯化如硝酸盐或氯化物），然后在惰物），然后在惰性气氛下高温处性气氛下高温处理，制备铂合金理，制备铂合金催化剂催化剂将氯铂酸与将氯铂酸与过渡金属的过渡金属的氯化物或硝氯化物或硝酸盐水溶液酸盐水溶液利用还原剂利用

17、还原剂共沉淀到炭共沉淀到炭上，再焙烧上，再焙烧制铂合金催制铂合金催化剂化剂关键材料关键关键材料材料电催化剂电催化剂电解质电解质隔膜隔膜双极板双极板磷酸浓度是一个非常磷酸浓度是一个非常重要的参数，合适范重要的参数，合适范围为围为98-99%关键材料关键关键材料材料电催化剂电催化剂电解质电解质隔膜隔膜双极板双极板采用采用SiC,由于是惰性的，由于是惰性的，具有很好的化学稳定性具有很好的化学稳定性作用：质子传作用：质子传导和隔离氧化导和隔离氧化剂和燃料剂和燃料关键材料关键关键材料材料电催化剂电催化剂电解质电解质隔膜隔膜双极板双极板平板型平板型槽型槽型中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学

18、院中南大学冶金科学与工程学院PAFC关键材料关键材料 PAFC采用采用Pt/C电催化剂，其电催化剂，其技术关键为在高比表面积的炭黑上担载纳技术关键为在高比表面积的炭黑上担载纳米级高分散的米级高分散的Pt微晶微晶。铂源一般采用氯铂酸，按制备路线可分为两类不同方。铂源一般采用氯铂酸，按制备路线可分为两类不同方法：一是先将氯铂酸转化为铂的络合物，再由铂的络合物制备高分散法：一是先将氯铂酸转化为铂的络合物，再由铂的络合物制备高分散PtC催化剂；二是从氯铂酸的水溶液出发，采用特定的方法制备纳米级高分散的催化剂；二是从氯铂酸的水溶液出发，采用特定的方法制备纳米级高分散的Pt/C电催化剂。电催化剂。 活性电

19、催化剂铂是活性电催化剂铂是担载在碳材料上的担载在碳材料上的，碳材料在，碳材料在PAFC工作条件下是相对工作条件下是相对稳定的。作为电催化剂的担体，必须具有高的化学与电化学稳定性、良好的稳定的。作为电催化剂的担体，必须具有高的化学与电化学稳定性、良好的电导、适宜的孔分布、高的比表面积以及低的杂质含量。在各种碳材料中，电导、适宜的孔分布、高的比表面积以及低的杂质含量。在各种碳材料中，仅有无定形的炭黑仅有无定形的炭黑具有上述性能。具有上述性能。目前广泛使用的用作目前广泛使用的用作Pt/C催化剂担体的炭催化剂担体的炭黑是黑是Cabot公司由石油生产的导电型电炉黑公司由石油生产的导电型电炉黑Vulcan

20、 XC-72。 为提高担体的抗腐蚀性能，可在惰性气氛下，高温处理碳材料增加炭材为提高担体的抗腐蚀性能，可在惰性气氛下，高温处理碳材料增加炭材长程有序度，如长程有序度，如Vulcan XC-72经过这种处理其抗腐蚀性大为改善。经过这种处理其抗腐蚀性大为改善。（1）电极材料）电极材料 电极材料包括载体材料和催化剂材料。催化剂附着于载体表面，载体材料要求导电性能好、比表面积高、耐腐蚀和低密度。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 在在PAFC的工作条件下，纳米级铂微晶电催化剂中铂的表面积的工作条件下，纳米级铂微晶电催化剂中铂的表面积会逐渐减小，除因磷酸电解质

21、和空气中杂质和磷酸本身与阴离子会逐渐减小，除因磷酸电解质和空气中杂质和磷酸本身与阴离子在铂表面吸附结块导致铂的有效活性表面积减少外，在铂表面吸附结块导致铂的有效活性表面积减少外，主要是由铂主要是由铂溶解再沉积和铂在炭载体表面迁移和再结晶引起的溶解再沉积和铂在炭载体表面迁移和再结晶引起的。另外，由。另外，由于铂微晶与炭载体之间的结合力很小，小的铂微晶可经炭表面迁于铂微晶与炭载体之间的结合力很小，小的铂微晶可经炭表面迁移、聚合，生成大的铂微晶导致移、聚合，生成大的铂微晶导致铂表面积下降。铂表面积下降。 为为防止因铂微晶的溶解和迁移、聚合导致铂表面积损失，人防止因铂微晶的溶解和迁移、聚合导致铂表面积

22、损失，人们想办法将铂锚定在炭载体上们想办法将铂锚定在炭载体上。一是用。一是用CO处理处理Pt/C催化剂，因催化剂，因CO裂解沉积在铂微晶周边的炭起锚定铂微晶的作用；二是引入裂解沉积在铂微晶周边的炭起锚定铂微晶的作用；二是引入合金元素与铂形成合金，增大铂与炭的结合力，同时增加波的电合金元素与铂形成合金，增大铂与炭的结合力，同时增加波的电催化活性。催化活性。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院（2）电解质材料 v PAFC的电解质是浓磷酸溶液。的电解质是浓磷酸溶液。磷酸在常温下导电性小，磷酸在常温下导电性小，在高温下具有良好的离子导电性在高温下具有良好的离

23、子导电性，所以，所以PAFC的工作温度的工作温度在在200左右。磷酸是无色、油状且有吸水性的液体，它左右。磷酸是无色、油状且有吸水性的液体，它在水溶液中可离析出导电的氢离子。浓磷酸（质量分数为在水溶液中可离析出导电的氢离子。浓磷酸（质量分数为100%）的凝固点是）的凝固点是42，低于这个温度使用时，低于这个温度使用时，PAFC的电解质将发生固化。而电解质的固化会对电极产的电解质将发生固化。而电解质的固化会对电极产生不可逆转的损伤，电池性能会下降。生不可逆转的损伤，电池性能会下降。所以所以PAFC电池一电池一旦启动，体系温度要始终维持在旦启动，体系温度要始终维持在45以上。以上。中南大学冶金科学

24、与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院（3）隔膜材料 v PAFC的电解质封装在的电解质封装在电池隔膜内电池隔膜内。隔膜材料。隔膜材料目前采用微目前采用微孔结构隔膜，它由孔结构隔膜，它由SiC和聚四氟乙烯组成，写作和聚四氟乙烯组成，写作SiC-PTFE。新型的新型的SiC-PTFE隔膜有直径极小的微孔，可兼隔膜有直径极小的微孔，可兼顾分离效果和电解质传输。顾分离效果和电解质传输。v 设计隔膜的孔径远小于设计隔膜的孔径远小于PAFC采用的氢电极和氧电极（采采用的氢电极和氧电极（采用多孔气体扩散电极）的孔径，这样可以保证浓磷酸容纳用多孔气体扩散电极）的孔径，这样可以保证浓磷

25、酸容纳在电解质隔膜内，起到在电解质隔膜内，起到离子导电和分隔氢、氧气体的作用离子导电和分隔氢、氧气体的作用。隔膜与电极紧贴组装后，当饱吸浓磷酸的隔膜与氢、氧电隔膜与电极紧贴组装后，当饱吸浓磷酸的隔膜与氢、氧电极组合成电池的时候，极组合成电池的时候，部分磷酸电解液会在电池阻力的作部分磷酸电解液会在电池阻力的作用下进入氢、氧多孔气体扩散电极的催化层，形成稳定的用下进入氢、氧多孔气体扩散电极的催化层，形成稳定的三相界面。三相界面。 中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院（4）双极板材料 v 双极板双极板的作用是的作用是分隔氢气和氧气，并传导电流，使两分隔氢气和

26、氧气，并传导电流，使两极极导导通。通。双极板材料是玻璃态的碳板，表面平整光滑，以利于双极板材料是玻璃态的碳板，表面平整光滑，以利于电池各部件接触均匀。为了减少电阻和热阻，双极板材料电池各部件接触均匀。为了减少电阻和热阻，双极板材料非常薄。非常薄。v 要求：要求：足够的气密性，以防止反应气体的渗透；在高温高足够的气密性，以防止反应气体的渗透；在高温高压及磷酸中化学性能稳定性；良好的导电电热能力；足够压及磷酸中化学性能稳定性；良好的导电电热能力；足够的机械强度。的机械强度。v 在在1000-2000度对度对热固树脂（如酚醛树脂、环氧树脂）热固树脂（如酚醛树脂、环氧树脂）碳化制得的玻璃化碳强度高、气

27、密性好。碳化制得的玻璃化碳强度高、气密性好。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院电极结构与制备工艺电极结构与制备工艺1）电极结构）电极结构 PAFC采用的电极与采用的电极与AFC一样，均属一样，均属多孔气体扩散电极多孔气体扩散电极。为提。为提高铂的利用率、降低铂载量，开发了高铂的利用率、降低铂载量，开发了PAFC专用电极。该电极分专用电极。该电极分为三层：为三层： 第一层：第一层：疏水碳纸疏水碳纸 通常称通常称支撑层支撑层 浸入浸入40%50%的聚四的聚四氟乙烯乳液后，孔隙率降至氟乙烯乳液后，孔隙率降至60%左右，平均孔径为左右，平均孔径为12.5 m

28、。支撑。支撑层的厚度为层的厚度为0.20.4mm，它的作用是，它的作用是支撑催化层，同时起收集和支撑催化层，同时起收集和传导电流传导电流的作用。的作用。 第二层：第二层：整平层（扩散整平层（扩散层层 ） 为便于在支撑层上制备催化为便于在支撑层上制备催化层，在炭纸表面制备一层由层，在炭纸表面制备一层由X-72型炭和型炭和50%聚四氟乙烯乳液组成聚四氟乙烯乳液组成的混合物，厚度为的混合物，厚度为12 m。 第三层：第三层：催化层催化层 在扩散层上覆盖由铂在扩散层上覆盖由铂/炭电催化剂炭电催化剂+聚四氟聚四氟乙烯乳液（乙烯乳液（30%50%）的催化层，厚度约）的催化层，厚度约50 m。 电极制备好后

29、须经过滚压后在电极制备好后须经过滚压后在320340度烧结，以增强电极防度烧结，以增强电极防水性。水性。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 2）制备工艺）制备工艺 扩散层：扩散层： 碳纸碳纸PTFE浸泡法浸泡法 整平层与催化层：整平层与催化层：喷涂法或刮膜法喷涂法或刮膜法（类似于锂离子电池极片（类似于锂离子电池极片拉浆）拉浆） 3） 双极板双极板 PAFC的双极板材料采用复合碳板。复合碳板分三层，中间为的双极板材料采用复合碳板。复合碳板分三层，中间为无孔薄板，两侧为多孔碳板。无孔薄板，两侧为多孔碳板。 作为作为PAFC的双极板，最重要的性能是的双极板

30、，最重要的性能是它的比电导、与电极之它的比电导、与电极之间的接触电阻和在电池工作条件下的稳定性间的接触电阻和在电池工作条件下的稳定性。20世纪世纪80年代，年代，采用采用铸模工艺由石墨粉和酚醛树脂制备带流场的双极板铸模工艺由石墨粉和酚醛树脂制备带流场的双极板。对模。对模铸双极板，其性能由石墨粉粒度分布、树脂类型与含量、模铸铸双极板，其性能由石墨粉粒度分布、树脂类型与含量、模铸条件与焙烧温度等决定。条件与焙烧温度等决定。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院5.3.5影响影响PAFC性能的因素性能的因素1）温度）温度 热力学分析角度看，升高电池的工作温度，

31、会使电池的可逆电热力学分析角度看，升高电池的工作温度，会使电池的可逆电位下降。但升高温度会加速传质和电化学反应速率，减少活化极化、浓差位下降。但升高温度会加速传质和电化学反应速率，减少活化极化、浓差极化和欧姆极化。极化和欧姆极化。总体升温会改善电池性能总体升温会改善电池性能，PAFC的工作温度为的工作温度为200。2）气体压力）气体压力 热力学分析表明，电池反应气体的热力学分析表明，电池反应气体的工作压力会提高可逆电工作压力会提高可逆电池的电压池的电压；从动力学角度看，升高压力会；从动力学角度看，升高压力会增加氧化还原的电化学反应速率增加氧化还原的电化学反应速率，氧还原的速率与氧的压力成正比。

32、升高压力会氧还原的速率与氧的压力成正比。升高压力会减少欧姆极化减少欧姆极化。 3）反应气体组成）反应气体组成PAFC的燃料气对杂质有相当高的要求，以富氢气体为例，富氢气体中的的燃料气对杂质有相当高的要求，以富氢气体为例，富氢气体中的CO会造成催化剂铂中毒和氢电极极化，要求会造成催化剂铂中毒和氢电极极化，要求CO的浓度范围控制在的浓度范围控制在1%（工作温度为（工作温度为190时），富氢气体中的时），富氢气体中的H2S气体的最高体积分数为气体的最高体积分数为2.010-64）燃料电池寿命）燃料电池寿命在在PAFC的工作条件下，氧电极的工作电压高于的工作条件下，氧电极的工作电压高于0.8V时，电催

33、化剂铂会发时，电催化剂铂会发生微溶，催化剂的担体生微溶，催化剂的担体X-72型炭也会缓慢氧化。电池寿命与操作条件如型炭也会缓慢氧化。电池寿命与操作条件如工作温度、压力、电压、操作模式如起启、停机条件等有关。工作温度、压力、电压、操作模式如起启、停机条件等有关。标准寿命为标准寿命为4万小时。万小时。 5.3.6现状与未来vPAFC是迄今为止是迄今为止最成熟的燃料电池最成熟的燃料电池发电装置。发电装置。日本东芝、富士电机、三菱电机、三洋电机和日日本东芝、富士电机、三菱电机、三洋电机和日立公司，以及美国立公司，以及美国UTC所属的所属的UTC燃料电池公司燃料电池公司都基本掌握了都基本掌握了PAFC发

34、电系统制造技术。发电系统制造技术。v1991年日本东芝公司与年日本东芝公司与UTC联合制造的联合制造的11MW级级PAFC是世界上运行规模最大的燃料电池发电系是世界上运行规模最大的燃料电池发电系统，该系统的发电效率为统，该系统的发电效率为41.1%，能量利用率达，能量利用率达72.7%。v目前，在美国、日本、欧洲和亚太地区均有目前，在美国、日本、欧洲和亚太地区均有200kW级的级的PC25TMPAFC发电系统在运行。该技发电系统在运行。该技术我国也已引进，安装在广州市某养猪场内。利术我国也已引进，安装在广州市某养猪场内。利用沼气进行发电运行试验。用沼气进行发电运行试验。 PAFC技术要进入商业

35、化，除了技术要进入商业化，除了在技术上进一步完善，降低生产成本，在技术上进一步完善，降低生产成本，提高系统的稳定性和可靠性，更重要提高系统的稳定性和可靠性，更重要的挑战来自于其他类型燃料电池技术的挑战来自于其他类型燃料电池技术的快速发展。的快速发展。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院应用开发状况v发电厂发电厂v现场发电现场发电v车辆车辆v小容量可移动电源小容量可移动电源v其他其他中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院用于发电厂v PAFC用于发电厂包括两种情形：（用于发电厂包括两种情形：（1）分散型发电）分散型

36、发电厂，容量在厂，容量在10-20MW之间，安装在配电分站；（之间，安装在配电分站；（2）中）中心电站型发电厂，装机容量在心电站型发电厂，装机容量在100MW以上，可以作为以上，可以作为中等规模热电厂。中等规模热电厂。 PAFC电厂比起一般发电厂具有如下优点：即使在发电厂比起一般发电厂具有如下优点：即使在发电负荷较低时，依然保持高的发电效率；由于采用电负荷较低时，依然保持高的发电效率；由于采用模板结模板结构，构，现场安装，简单、省时，并且电厂扩容容易。现场安装，简单、省时，并且电厂扩容容易。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院用于现场发电v现场（集中）

37、发电（现场（集中）发电（cogeneration）指把）指把PAFC直接安装在用户附近，同时提供热和电。直接安装在用户附近，同时提供热和电。这被认为是这被认为是PAFC的最佳应用方案。这种方案的的最佳应用方案。这种方案的优点是：优点是：可根据需要设置装机容量或调整发电负可根据需要设置装机容量或调整发电负荷，却不会影响装置的发电效率荷，却不会影响装置的发电效率，既使小容量，既使小容量PAFC装置也能达到相当于现代大型热电厂的效装置也能达到相当于现代大型热电厂的效率；有效利用电和热，传输损失小。率；有效利用电和热，传输损失小。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工

38、程学院在车辆上的应用v目前这方面主要是以目前这方面主要是以PAFC作为基本动力电源，作为基本动力电源，配备蓄电池以满足车辆启动和爬坡时峰值用电要配备蓄电池以满足车辆启动和爬坡时峰值用电要求。求。v在在1994年于美国圣第哥举行的第年于美国圣第哥举行的第14届燃料电池届燃料电池会议期间，美国能源公司展示了第一台以甲醇为会议期间，美国能源公司展示了第一台以甲醇为燃料燃料PAFC做动力的公交车。做动力的公交车。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院小容量可移动电源 PAFC可以用作通讯、紧急供电、娱乐车等可以用作通讯、紧急供电、娱乐车等的电源。与通常的柴油发电

39、机相比，的电源。与通常的柴油发电机相比，PAFC作为作为军事上的通讯电源，其诱人之处在于军事上的通讯电源，其诱人之处在于运行时噪音运行时噪音低和热辐射量极少低和热辐射量极少，有利于隐蔽目标。，有利于隐蔽目标。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院其他v许多石油化工厂，如炼油厂、氯碱厂、合成氨厂许多石油化工厂，如炼油厂、氯碱厂、合成氨厂等，经常排放大量富氢气体。在现场安装等，经常排放大量富氢气体。在现场安装PAFC装置，就可以把排放气体中的氢转化成电能，或装置，就可以把排放气体中的氢转化成电能，或者从中分离出纯氢气体，从而减少资源浪费。者从中分离出纯氢气体

40、，从而减少资源浪费。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院应用前景v 从节省资源、减少从节省资源、减少CO2 排放等观点来看排放等观点来看,磷酸燃料电池是磷酸燃料电池是非常有效的非常有效的热电联产设备热电联产设备,通过与污水处理厂、食品工业通过与污水处理厂、食品工业等的沼气发酵技术部门进行合作等的沼气发酵技术部门进行合作,在为构筑资源循环型社在为构筑资源循环型社会的对策等方面的进展也令人鼓舞。今后会的对策等方面的进展也令人鼓舞。今后,将通过进一步将通过进一步降低成本降低成本来提高其经济性来提高其经济性,并通过并通过不仅仅局限于城市燃气不仅仅局限于城市燃气

41、,而且而且扩大到对生物气体等的循环型社会的多样化燃料的适扩大到对生物气体等的循环型社会的多样化燃料的适用范围用范围,为磷酸型燃料电池的推广普及而积极努力。为磷酸型燃料电池的推广普及而积极努力。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 5. 研发课题研发课题 经过近经过近30年的研究与开发，通过一系列示范装年的研究与开发，通过一系列示范装置的运行试验，置的运行试验，PAFC技术被证明是可行的。技术被证明是可行的。现在，现在，PAFC技术已逐步进入实用化开发阶段。但技术已逐步进入实用化开发阶段。但是，要使是，要使PAFC达到商品化程度，仍存在许多技术达到商品化

42、程度，仍存在许多技术问题。问题。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院对于商品化对于商品化PAFC发电装置，发电装置，PAFC系统的系统的性能、可性能、可靠性与寿命靠性与寿命有待进一步提高，有待进一步提高，电池制造成本电池制造成本要降低要降低到能与普通发电装置竞争。到能与普通发电装置竞争。对设置在城市大楼上的现场型对设置在城市大楼上的现场型PAFC电站与电动汽车电站与电动汽车用的用的PAFC动力电源，应动力电源，应减少电池体积与重量，提高减少电池体积与重量，提高电池能量密度，减少电池安装面积。电池能量密度，减少电池安装面积。PAFC面临的技术开发课题将从

43、面临的技术开发课题将从技术性与经济性技术性与经济性两个两个方面展开。方面展开。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院提高电池系统性能与可靠性提高电池系统性能与可靠性 PAFC系统性能，如能量密度、寿命等，经过世界系统性能，如能量密度、寿命等，经过世界各研究机构的努力，已达到一定水平。各研究机构的努力，已达到一定水平。在日本，累积在日本，累积运行发电时间超过运行发电时间超过1万小时的万小时的PAFC发电装置已有发电装置已有5台台。大板煤气公司大板煤气公司40kw水冷式水冷式PAFC发电装置已累积运行发电装置已累积运行达达15588h，是目前世界上累积运行时

44、间最长的燃料电，是目前世界上累积运行时间最长的燃料电池电站。燃料电池电站连续运行时间最长的纪录则由池电站。燃料电池电站连续运行时间最长的纪录则由日本东京电力公司创造，为日本东京电力公司创造，为3246h，该装置在东京火，该装置在东京火力发电所内，属于力发电所内，属于200kw水冷式水冷式PAFC电站。然而，电站。然而，与商业化要求的性能指标相比，目前的与商业化要求的性能指标相比，目前的PAFC性能、性能、可靠性与寿命均未达到。对于一般商业化发电装置，可靠性与寿命均未达到。对于一般商业化发电装置，累积运行时间必须超过累积运行时间必须超过4万万h，最终日标为，最终日标为6万万h以上。以上。中南大学

45、冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 从电池的能量密度来看，目前世界上输出能量密从电池的能量密度来看，目前世界上输出能量密度最高的燃料电池是设在日本关西电力公司六甲度最高的燃料电池是设在日本关西电力公司六甲试验所内的试验所内的50kw水冷式水冷式PAFC电站。其能量密度电站。其能量密度为为4.9kw/m3。现 在 ， 一 般 的 燃 料 电 池 电 流 密 度 为现 在 ， 一 般 的 燃 料 电 池 电 流 密 度 为 1 5 0 一一200mA/m2，今后的目标应在，今后的目标应在350mA/cm2以上。以上。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 高性能电极材料研究高性能电极材料研究: 要提高电池能量密度，必须研要提高电池能量密度，必须研究高性能电极。电极研究包括电极催化剂与电极成型究高性能电极。