第五章燃料電池之磷酸燃料电池-3.ppt

燃料电池 5.3 磷酸型燃料电池5.3.1磷酸型燃料电池概述 PAFC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）反应中生成的氢离子传输至阴极（空气极）。 阳极：H2 2H++2e- 阴极：1/2O2+ 2H++2e- H2O 总反应： 1/2O2+ H2 H2O 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相反应界面。 PAFC优缺点 5.3.2工作条件 5.3.3电池系统组成 电池系统组成 电池系统组成 燃料转化系统中每个过程操作条件 电池系统组成 电池系统组成 电池系统组成 电池系统组成 电池系统组成 电池系统组成 电池系统组成 5.3.4关键材料 关键材料 关键材料 关键材料 关键材料 （2）电解质材料 PAFC的电解质是浓磷酸溶液。磷酸在常温下导电性小，在高温下具有良好的离子导电性，所以PAFC的工作温度在200℃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100%）的凝固点是42℃，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生不可逆转的损伤，电池性能会下降。所以PAFC电池一旦启动，体系温度要始终维持在45℃以上。 （3）隔膜材料 PAFC的电解质封装在电池隔膜内。隔膜材料目前采用微孔结构隔膜，它由SiC和聚四氟乙烯组成，写作SiC-PTFE。新型的SiC-PTFE隔膜有直径极小的微孔，可兼顾分离效果和电解质传输。 设计隔膜的孔径远小于PAFC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在电解质隔膜内，起到离子导电和分隔氢、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、氧电极组合成电池的时候，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，形成稳定的三相界面。 （4）双极板材料 双极板的作用是分隔氢气和氧气，并传导电流，使两极导通。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，双极板材料非常薄。 要求：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；足够的机械强度。 在1000-2000度对热固树脂（如酚醛树脂、环氧树脂）碳化制得的玻璃化碳强度高、气密性好。 5.3.6现状与未来 PAFC是迄今为止最成熟的燃料电池发电装置。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UTC所属的UTC燃料电池公司都基本掌握了PAFC发电系统制造技术。 1991年日本东芝公司与UTC联合制造的11MW级PAFC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41.1%，能量利用率达72.7%。 目前，在美国、日本、欧洲和亚太地区均有200kW级的PC25TMPAFC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。利用沼气进行发电运行试验。 PAFC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，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快速发展。 应用开发状况 发电厂 现场发电 车辆 小容量可移动电源 其他 用于发电厂 PAFC用于发电厂包括两种情形：（1）分散型发电厂，容量在10-20MW之间，安装在配电分站；（2）中心电站型发电厂，装机容量在100MW以上，可以作为中等规模热电厂。 PAFC电厂比起一般发电厂具有如下优点：即使在发电负荷较低时，依然保持高的发电效率；由于采用模板结构，现场安装，简单、省时，并且电厂扩容容易。 用于现场发电 现场（集中）发电（cogeneration）指把PAFC直接安装在用户附近，同时提供热和电。这被认为是PAFC的最佳应用方案。这种方案的优点是：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，既使小容量PAFC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。 在车辆上的应用 目前这方面主要是以PAFC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求。 在1994年于美国圣第哥举行的第14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燃料PAFC做动力的公交车。 小容量可移动电源 PAFC可以用作通讯、紧急供电、娱乐车等的电源。与通常的柴油发电机相比，PAFC作为军事上的通讯电源，其诱人之处在于运行时噪音低和热辐射量极少，有利于隐蔽目标。 其他 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PAFC装