磷酸盐型燃料电池

1、磷酸盐型燃料电池1、原理1.1电极反应磷酸型照料电他(PAFC)以磷酸为电解质，具有耐转化燃料气及空气中的CO2,能力。因此，与低温型AFC(燃料气中不允许含CO2和 CO)及SPFC(燃料气中不允许含CO)相比，PAFC更能适应各种工作 环境。磷酸在水溶液中易解离出氢离子(H3PO4H+十H2PO4-)，它 能将阳极(燃料极)反应中生成的氢离子传输至阴极(空气极)。阳极：H2 2H+2e-阴极：1/2O2+2H+2e- H2O1.2三相电极作用原理负荷A/WW有削图2-2毛细孔中三相界面的示意图)毛细管处于垂直位置；(b)毛细管处于水平位置磷酸型燃料电他的工作条件有以下几个方睡潟一溶液*工作

2、温度 PAFC的工作温度为453483K。选择这一温度范围的依据是磷酸的蒸汽压、讨料的耐腐蚀性能、电催化剂的耐co能 力及电池特性。研究表明，提7哥工作温度能使PAFc电池推效串更高。工作压力PAFC的工作压力为常压至零点几兆铂。通常，对于小容量电他采用常压操作。对于大容量PAPc电他堰，多采用加压 操作。与低压操作时情况相灶;、PAPC电他堰在较高压力下运行时，反 应速率加快、发电效率提高。对于加压操作曲PAFc系统，工作废力一 般设定在o. 7 一 o. 8MPa。(3)冷却方式包括水冷却式、空气冷却式与绝缘油冷却3种方 式。燃料利用率P观的燃料利用率为70% 80%。所谓燃料利用率指的是

3、在燃料电他内部转化为电能的氢气量与燃料中所含的氢 气量之比。氧化剂利用率PAFl：的氧化剂利用率为50% 60%。以空气作氧化剂为例，空气中氧含量约为21%, 50% 60%的氧化剂利用 率指的是空气中的氧有50% 60%在燃料电池内被消耗掉。反应气组成 典型的转化燃料气中约含80%Hz、20%c02以 及少量CH4、C()与硫化物。磷酸型燃料电池的特点与熔融碳酸盐燃料电池(MCFC )与固体氧化物燃料电池(SOFC) 相比，PAPC具有以下优缺点。优点磷酸型燃料电池的优点是：能在低温下发电，而且稳定 性良好；余热利用中获得的水可宜接作为人们日常生活用热水；起动时 间短。缺点磷酸型燃料电他的缺

4、点是：电催化剂必须采用贵金届； 苦燃料气中co含量过高，电催化剂将会被co毒化而失去催化活性。 2、系统的基本构造PAFC系统主要由电池本体、燃料转化装置、逆变器及控制系统等部分组成。 2.1电池本体(1)单电池构造XX多孔质支持民-多孔催化刑层配电解层您,多孔催化剂层一集疵体图2-4磷酸型燃料电池(单电池)基本构造根据电极与隔板的结构形式，PAFc单电池分为槽形电极型与槽形隔板型。组 成 PAFc 单 电 他 的 典 型 材 料 如 表平板形隔板槽形隔板If畛电极图2-5 PAFC单电池结构类型平板形隔板槽形隔板If畛电极(a)槽形电极型 (b)糟形隔板型组成PAFc单电他的典型材料如表所示

5、材料要求说明典型材料催化剂材料要求说明典型材料催化剂高活性、长期稳定性钳负载炭黑防水层憎水性聚四氟乙烯电极支持材料最气性、电孑电导性、机械强度、 熬传导性，耐腐蚀性碳纤维集流-隔板致密性、电子电导性、机械强度、 热传导性、耐腐蚀性炭素极跪酸高纯度98%99%浓磷酸电解液保持怵耐磷酸性、谶酸保持性SiC表21磷麒型燃料电池单电池典型构成材料PAFC单电他的电压特性为o. 7v(当i=200mA/cm2时)。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PAFC电他维。PAFC电他堆包括电极(燃料极与空气 极)、含磷酸的电解质层、集流一隔板、冷却板、各种类型物料管及其他辐 助元件等

6、关键部件。图2 -6(b)图2 -6(b)电池堆核心构造表2-2 PAFc系统中常用冷却方式比较2-2 PAFC系统中常用冷却方式比校特点水冷式绝缘油冷却空冷式冷却效率高中等中等或较低系统结构集杂中等简单冷却荆处理M杂中等简单工作压力高达零点几个兆帕)低可灵活调节热电共生效果好中等一般辅团动力小校小大冷却板设置每隔数个单电拖隔数个单电池隔一个或数个单电池制造商IFC、富士、日立、东芝富士ERG西屋电气、三洋2.2燃料转化装置燃料转化过程包括脱琉、催化转化与一氧化碳变换3个反应过程(如图29)。这3个过程的 作用、反应式、操作条件及其催化剂比较如表24所示。T城市煤气(CB4)函语T城市煤气(C

7、B4)重整反应875-1023K啪内W代 重整反应 0虫换反应 脱硫反应573-673 重整反应875-1023K图2-9燃料转化系统梅造表2-4魅料转化系统中每个过程操作条件脱硫过程兼汽转化过程CO变换过程作用脱硫天然气转化成Hm 和 co将S变换为富 氢气体和coE反应式RSH 4-I l2 f RH + HSHaS + ZnO-ZnS + HzOCH4 + H2O-O+3H:CO 十 HQ COg + H2操乍条件温度；573673K压力:C0.通MPa温度门023U23K 压方:。0. 98 MPa 水域比24温度,高温段593-753K低温段4S3553K压力浏。98 MPa2.3电池系统运Wfel-dh.641CO -Mo催化剂，或 行特性h催化剂工诡 六Zr 族匕 昂 岳、/雨七白 山 由, IXNi傕化剖Fe-Cr催化剂Cu - Zn催化剂能有效地提高燃料电池效率”、T | , L_l 1 LL_1 J _/W |J | LU 1 J | J 1 | |_i / i . | _J。1 L_l U 1 L ULf /_X,但是片癖低电流密度将使燃料电池投资费用增大。在实际操作 制在150 一 350赃A/cm2。常压操作时，单电他的输出电压; 准计算，燃料电池效率约为40% 47 % (HW域48 %一部(L影响电池系统运行特性因素有