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磷酸型燃料电池
使用液体磷酸为电解质的电池
基本信息
| 中文名 | 磷酸型燃料电池 |
| 外文名 | Phosphoric Acid Fuel Cell |
| 原料 | CH4气体或生物气体 |
| 工作温度 | 150-200℃ |
| 学科 | 电力工程 |
| 领域 | 工程技术 |
| 类型 | 燃料电池 |
收起
功能特点
磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为40%，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。虽然磷酸燃料电池具有上述缺点，它们也拥有许多优点，例如构造简单，稳定，电解质挥发度低等。磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力，而且有许多这样的系统正在运行，不过这种电池似乎将来也不会用于私人车辆。在过去的20多年中，大量的研究使得磷酸燃料电池能成功地用于固定的应用，已有许多发电能力为0.2–20MW的工作装置被安装在世界各地，为医院，学校和小型电站提供动力。
它采用磷酸为电解质，利用廉价的炭材料为骨架。它除以氢气为燃料外，现在还有可能直接利用甲醇、天然气、城市煤气等低廉燃料，与碱性氢氧燃料电池相比，最大的优点是它不需要CO2处理设备。磷酸型燃料电池已成为发展最快的，也是目前最成熟的燃料电池，它代表了燃料电池的主要发展方向。
磷酸型燃料电池不仅在效率、环保特性等方面具有优良的一面，而且在持久性、可信赖性方面也非常可靠。例如，现在日本民用产业用于50~20kw容量的成套设备，有10多台在实际运营中，其中13台已提前达到商业化耐用性目标，累计运行超过4万小时。磷酸型燃料电池现已用于商业阶段，在不久的将来可以说是我们常见的燃料电池。此外，燃料电池发电设备的制造成本也比开发阶段明显减少，如果条件完备能够理想运行的话，在燃料电池发电设备的产品寿命之内，就可把投资全部收回。
但是，为在今后能真正达到普及，大致在2个方向上推进是比较重要的。其一：要批量生产以便促进成本降低;另一个是：活用燃料电池的特性，利用它新创造的附加值，促进它把新的用途引入市场。
工作原理
磷酸燃料电池是一种将氢气(燃料气体)和氧气(空气)反应时的化学能直接、连续地转换成电能的电化学装置。在该电池装置中，氢气和氧气分别输送阳极和阴极，在电极、电解质和反应气体之间建立的三相界面处分别进行氧化、还原反应。
阳极：
H→2+2e
阴极：
O+4+4e→2HO
总反应：
O+2H→2HO
用途开发
燃料电池本来是以氢气为燃料发电的装置。但在氢燃料供给设备不完备的情况下，可以把市场上的城市煤气（沼气）或液化煤气等经改性器转换成氢气用于发电。代替这些燃料的是把现尚未被利用的、被舍弃的食品废水，下水污泥等净化后得到沼气，或是把工业废弃物作为能源重新加以利用，就会形成一个在环境改善、节省资源、经济性等多方面有效的系统。
甲烷发酵气的应用
我们把食品废水、生活垃圾、下水道污泥等经厌氧处理后，所产生的甲烷发酵气称为消化气体或称生物气体。60%一70%的甲烷气体和二氧化碳气体混合，使其成为低位发热量（22一25MJ//N）的气体，由于条件不同它的发热量也会改变。从这些生物气体燃料的稳定性、排气性来看，通常用于锅炉或发热装置是很难充分利用的，但是通过化学反应用于燃料电池的发电是比较容易的。
简介
虽然相对于其它类型的燃料电池 PAFC 在技术上已经比较成熟，但仍然面临一些亟待解决的课题 ———须进一步提高电池比功率，延长使用寿命，降低制造成本等，而开发活性高、稳定性好的新的电极催化剂是解决上述问题的一项非常重要的措施。PAFC 在中国还没有引起重视，磷酸燃料电池 ( PAFC) 自从 60 年代在美国开始研究以来，越来越广泛地受到人们重视，许多国家投入大量资金用于支持项目研究和开发。在美国，能源部 (DOE) 、电力研究协会( EPRI) 以及气体研究协会( GRI) 三个部门在 1985～1989 年投入到 PAFC 研究开发经费高达 1. 22 亿美元。日本政府部门在 1981～1990 年用于 PAFC 的费用也达到1.15亿美元。意大利、南朝鲜、印度、台湾等国家和地区也纷纷组织 PAFC 的研究开发计划。世界上许多著名公司，如东芝、富士电机、西屋电气、三菱、三洋以及日立等公司都参与了 PAFC 的开发与制造工作。由美国国际燃料电池公司( IFC) 与日本东芝公司联合组建的 ONSI 公司在PAFC 技术上处于世界领先地位。以美国和日本的一些煤气公司和电力公司为主，许多公司一直在参与 PAFC 的示范和论证试验，以取得运行和维护方面的经验。
进展
燃料电池被称为继火电、水电、核电之后的第四种发电方式，应用前景十分广阔。然而作为一种新型发电技术 ，PAFC 要获得社会广泛认可和使用，需要进一步改进性能，降低制造成本。亟待解决的 PAFC 研究课题，概括来讲就是：
(1) 提高电池功率密度；
(2) 延长电池使用寿命，提高其运行可靠性；
(3) 进一步降低电池制造成本。电池比功率指单位面积电极的输出功率，它是燃料电池的一项重要指标。
提高电池功率密度不但有利于减少电池的质量和尺寸，而且可以降低电池造价。开发高活性催化剂，优化多孔气体电极结构，研制超薄的导热、导电性能良好的电极基体材料等都将改善电池的输出性能。在 PAFC 长期运行过程中，其输出性能不可避免要降低，特别是在操作温度比较高，电极电位也比较高的情况下，电池性能下降更快。为此，需要研究催化剂 Pt 微晶聚集长大以及催化剂载体腐蚀问题，开发保证电池温度分布均匀的冷却方式，以及寻找避免电池在低的用电负荷或空载时出现较高电极电位的方法。由于电池本体占整个 PAFC 装置成本的 42 %～45%，因此降低它的制造成本非常关键。在电池性能方面，提高电池功率密度，简化电池结构都是非常有效的措施。在电池加工方面，则待开发电池部件的大批量、大型化制造技术以及气室分隔板与电极基板组合的技术。
用于发电厂
PAFC 用于发电厂包括两种情形：分散型发电厂，容量在 10～20 MW 之间，安装在配电分站；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。1991年，东芝与 IFC 联合为东京电力公司建成了世界上最大的11 MW PAFC装置。该装置发电效率达41.1%，能量利用率为72.7 %。
用于现场发电
建议
新一轮燃料电池研究热潮已经到来，有不少单位进行熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池( PEMFC)，以及直接甲醇燃料电池 (DMFC) 研究，然而至今惟有 PAFC 研究仍属空白。面对广阔市场前景，除日本、美国、欧洲等发达国家外，许多发展中国家也采取引进、消化等方式，积极发展本国 PAFC 技术。中国是一个人口众多的发展中国家，面临着十分严峻的资源和环保问题。大力发展能量利用率高，有害物质排放量极少的 PAFC 技术，就显得非常必要。因此建议：
(1) 国家应该尽快设立 PAFC 开发研究计划，给予足够资金投入，支持 PAFC 基础和应用研究。纵观所有已进行开发国家，毫无例外是在国家大力支持下开始起步的。
(2) 加强国际交流合作，并积极引进国外先进 PAFC 装置，以积累操作、维护经验。韩国、意大利等国家就是通过引进 PAFC 装置，在较短时间内掌握了此项技术。美国和日本在PAFC 技术上处于领先地位，它们既是竞争对手，同时又通过购买设备、组建合资公司等方式加强相互间合作。
(3) 组织各部门分工协作，争取及早制造出国产 PAFC装置。由于 PAFC 技术复杂，可由化工、机械、电工、研究单位分别负责天然气转化制氢、设备制造、交直流转换、电池本体制作安装。中国于 1997 年成立了在中国电工技术学会领导下的氢能发电装置专业委员会，这为组织研制开发 PAFC工作创造了有利条件。
发展应用
PAFC用于发电厂包括两种情形：分散型发电厂，容量在10-20MW之间，安装在配电站；中心电站型发电厂，容量在100MW以上，可以作为中等规模热电厂。PAFC电厂比起一般电厂具有如下优点：即使在发电负荷比较低时，依然保持高的发电效率；由于采用模块结构，现场安装简单，省时，并且电厂扩容容易。
受1973年世界性石油危机以及美国PAFC研发的影响，日本决定开发各种类型的燃料电池，PAFC作为大型节能发电技术由新能源产业技术开发机构（NEDO）进行开发。自1981年起，进行了100kW现场型PAFC发电装置的研究和开发。1986年又开展了200kW现场性发电装置的开发，以适用于边远地区或商业用用地AFC发电装置。
富士电机公司是日本最大的PAFC电池堆供应商。截至1992年，该公司已向国内外供应了17套PAFC示范装置，富士电机在1997年3月完成了分散型5MW设备的运行研究。作为现场用设备已有50kW、100kW及500kW总计88种设备投入使用。
参考资料
[1]
磷酸燃料电池_百科_新能源网 · 新能源网[引用日期2021-06-22]
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