第五章燃料电池之磷酸燃料电池高等教学.ppt

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, Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFCPAFC））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出以磷酸为电解质，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）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- 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，稳定系统工作温度适中，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，余性良好，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；与热利用效率高；与AFC（燃料气中不允许含（燃料气中不允许含CO2和和CO)及及PEMFC（燃料气中不允许含（燃料气中不允许含CO)等低温型燃料电池等低温型燃料电池相比，具有耐燃料气及空气中的相比，具有耐燃料气及空气中的CO2能力，能力，PAFC更能更能适应各种工作环境。

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 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  单单电电池池外外形形为为正正方方形形层层状状结结构构，，边边长长为为70-100cm，，厚厚度度约约为为5mm，，它它包包括括电电极极支支持持层层、、电电极极(燃燃料料极极与与空空气气极极)、、集集流流-隔隔板板、、介介于于两两电电极极之间的含浓磷酸的电解质层。

之间的含浓磷酸的电解质层电电极极支支持持层层与与电电极极保保持持一一定定的的孔孔隙隙率率以以维维持持足足够够的的透透气气性性，，电电极极催催化化剂剂层层由由铂铂与与合合金金载载体体组组成成，，铂负载量约为铂负载量约为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电极极与与隔隔板板必必须须具具有有良良好好的的导导电电性性、、耐耐腐腐蚀蚀性性和较长的寿命和较长的寿命根根据据电电极极与与隔隔板板的的结结构构形形式式，，PAFC单单电电池池分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)电电池池堆堆构构造造: PAFC单单电电池池的的电电压压特特性性为为0.7v (当当i＝＝200mmA/cm2时时)为为了了提提高高电电池池工工作作电电压压，，获获得得较较高高功功率率，，必必须须将将单单电电池池层层层层叠叠加加组组成成PAFC电电池池堆堆。

PAFC电电池池堆堆包包括括电电极极(燃燃料料极极与与空空气气极极)、、含含磷磷酸酸的的电电解解质质层层、、集集流流—隔隔板板、、冷冷却却板板、、各各种种类类型型物物料料管管及及其其他他辅辅助助元元件件等等关关键键部部件 在在PAF电电池池堆堆中中，，每每隔隔5-7个个单单电电池池就就设设置置一一块块冷冷却却板板通通常常1个个电电池池堆堆可可以以组组成成500-800kw级级发发电电装装置置，，对对于于容容量量更更大大的的电电站站系系统统，，则则由由数数组组电池堆组合而成电池堆组合而成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项目项目脱硫过程脱硫过程蒸汽转化过程蒸汽转化过程CO变换过程变换过程作用作用脱硫脱硫天然气转化成天然气转化成H2和和CO将将CO变换为富氢变换为富氢气体和气体和CO2反应反应式式R-SH+H2 R-H+H2SH2S+ZnO ZnS +H2OCH4+H2O CO +3H2CO+H2O CO2 +H2操作操作条件条件温度：温度：573-673K压力：压力：0-0.98 MPa温度：温度：1023-1123K, 压力：压力：0-0.98 MPa，， 水水-碳之比：碳之比：2-4温度：高温段温度：高温段593-753K,低温段低温段453-553K；压力：；压力：0-0.98MPa催化催化剂剂Co-Mo催化剂，催化剂，或或Ni-Mo催化催化剂、剂、ZnONi催化剂催化剂Fe-Cr催化剂催化剂Cu-Zn催化剂催化剂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电电池池堆堆中中，，有有3种种不不同同冷冷却却方方式式，，即即水水冷冷却却、、空空气气冷冷却却和和绝绝缘缘油油冷冷却却一一般般来来讲讲，，水水冷冷却却式式的的冷冷却却效效果果优优于于其其他他两两种种方方式式，，对对于于大大规规模模电电站站系系统统更更是是如如此此空空气气冷冷却却比比水水冷冷却却简简单单，，适适合合小小规规模模发发电电装装置置，，但但空空气气冷冷却却需需要要较较多多的的辅辅助助动动力力设设备备以以促促进进空空气气循循环环，，发发电电系系统统净净效效率率将将会会降降低。

低 从从冷冷却却效效果果与与系系统统复复杂杂程程度度比比较较，，绝绝缘缘油油冷冷却却方方式式介介于于水水冷冷却却与与空空气气冷冷却却两两者者之之间间，，它它的的整整个个系系统统比比较较紧紧凑凑、、简简单单，，且且不不易易腐腐蚀蚀下下表表对对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Pt／／C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 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长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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（3）隔膜材料 vPAFC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，使两分隔氢气和氧气，并传导电流，使两极极导导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支撑层的厚度为撑层的厚度为0.2~0.4mm，它的作用是，它的作用是支撑催化层，同时起收集支撑催化层，同时起收集和传导电流和传导电流的作用 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1~2 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 电极制备好后须经过滚压后在电极制备好后须经过滚压后在320－－340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，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，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的的燃燃料料气气对对杂杂质质有有相相当当高高的的要要求求，，以以富富氢氢气气体体为为例例，，富富氢氢气气体体中中的的CO会会造造成成催催化化剂剂铂铂中中毒毒和和氢氢电电极极极极化化，，要要求求CO的的浓浓度度范范围围控控制制在在1%（（工工作作温温度度为为190℃时时）），，富富氢氢气气体体中中的的H2S气气体体的的最最高高体体积积分分数数为为2.0×10-64）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工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 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日发电装置日本东芝、富士电机、三菱电机、三洋电机和日立本东芝、富士电机、三菱电机、三洋电机和日立公司，以及美国公司，以及美国UTC所属的所属的UTC燃料电池公司都燃料电池公司都基本掌握了基本掌握了PAFC发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统，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技术要进入商业化，除了在技术要进入商业化，除了在技术上进一步完善，降低生产成本，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，可以作为中以上，可以作为中等规模热电厂等规模热电厂 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）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，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,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 经经过过近近30年年的的研研究究与与开开发发，，通通过过一一系系列列示示范范装装置的运行试验，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现在在，，PAFC技技术术已已逐逐步步进进入入实实用用化化开开发发阶阶段段但但是是，，要要使使PAFC达达到到商商品品化化程程度度，，仍仍存存在在许许多多技技术术问题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对于于商商品品化化PAFC发发电电装装置置，，PAFC系系统统的的性性能能、、可可靠靠性性与与寿寿命命有有待待进进一一步步提提高高，，电电池池制制造造成成本本要要降降低低到能与普通发电装置竞争。

到能与普通发电装置竞争对对设设置置在在城城市市大大楼楼上上的的现现场场型型PAFC电电站站与与电电动动汽汽车车用用的的PAFC动动力力电电源源，，应应减减少少电电池池体体积积与与重重量量，，提提高高电池能量密度，减少电池安装面积电池能量密度，减少电池安装面积PAFC面面临临的的技技术术开开发发课课题题将将从从技技术术性性与与经经济济性性两两个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系系统统性性能能，，如如能能量量密密度度、、寿寿命命等等，，经经过过世世界界各各研研究究机机构构的的努努力力，，已已达达到到一一定定水水平平在在日日本本，，累累积积运运行行发发电电时时间间超超过过1万万小小时时的的PAFC发发电电装装置置已已有有5台台大大板板煤煤气气公公司司40kw水水冷冷式式PAFC发发电电装装置置已已累累积积运运行行达达15588h，，是是目目前前世世界界上上累累积积运运行行时时间间最最长长的的燃燃料料电电池池电电站站燃燃料料电电池池电电站站连连续续运运行行时时间间最最长长的的纪纪录录则则由由日日本本东东京京电电力力公公司司创创造造，，为为3246h，，该该装装置置在在东东京京火火力力发发电电所所内内，，属属于于200kw水水冷冷式式PAFC电电站站。

然然而而，，与与商商业业化化要要求求的的性性能能指指标标相相比比，，目目前前的的PAFC性性能能、、可可靠靠性性与与寿寿命命均均未未达达到到对对于于一一般般商商业业化化发发电电装装置置，，累累积运行时间必须超过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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 从从电电池池的的能能量量密密度度来来看看，，目目前前世世界界上上输输出出能能量量密密度度最最高高的的燃燃料料电电池池是是设设在在日日本本关关西西电电力力公公司司六六甲甲试试验验所所内内的的50kw水水冷冷式式PAFC电电站站其其能能量量密密度度为为4.9kw/m3现现 在在 ，， 一一 般般 的的 燃燃 料料 电电 池池 电电 流流 密密 度度 为为 150一一200mA/m2，今后的目标应在，今后的目标应在350mA/cm2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 高高性性能能电电极极材材料料研研究究: 要要提提高高电电池池能能量量密密度度，，必必须须研研究究高高性性能能电电极极电电极极研研究究包包括括电电极极催催化化剂剂与与电电极极成成型型加工技术两个方面。

加工技术两个方面PAFC电池堆结构改进电池堆结构改进辅辅助助设设备备简简化化: 辅辅助助设设备备的的改改进进与与简简化化，，有有利利于于提提高高电电站站系系统统运运行行性性能能，，减减少少电电站站设设备备投投资资与与占占地地面面积积PAFC系系统统的的主主要要辅辅助助设设备备包包括括燃燃料料转转化化器器、、热热交交换换器、逆变器及系统控制器器、逆变器及系统控制器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目目前前．．燃燃料料电电池池发发电电系系统统堪堪与与其其他他发发电电系系统统竞竞争争的的是是电站建设费电站建设费燃燃料料电电池池本本体体属属于于积积木木式式结结构构，，通通过过组组合合几几组组电电池池堆堆就就可可以以组组成成所所需需要要的的电电站站功功率率相相对对而而言言，，燃燃料料电电池池电电站站占占地地面面积积小小、、建建设设周周期期短短，，且且电电站站功功率率越越大大、、电电站站建建设设费费用用降降幅幅也也越越大大对对于于PAFC电电站站系系统统，，电站建设费的目标值为电站建设费的目标值为每千瓦每千瓦2500美元美元左右降降低低电电池池造造价价对对策策: 降降低低电电池池造造价价可可以以从从燃燃料料电电池池发发电系统的硬件和软件两个方面寻找对策。

电系统的硬件和软件两个方面寻找对策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 电池硬件方面指的是电池硬件方面指的是燃料电池技术可靠性燃料电池技术可靠性与与降降低低电电池池造造价价有有关关的的技技术术开开发发课课题题是是提提高高燃燃料料电电池池电流密度，并尽量增加组成燃料电池电堆的单电池数电流密度，并尽量增加组成燃料电池电堆的单电池数就就PAFC而而言言，，电电池池堆堆由由众众多多单单电电池池层层叠叠而而成成通通过过技技术术革革新新，，采采用用高高活活性性、、价价格格低低廉廉的的电电极极催催化化刑刑，，扩扩大大电电极极面面积积，，使使单单电电池池生生产产规规范范化化，，形形成成大大规规模模生生产产能能力力，，不不仅仅能能提提高高电电池池性性能能与与系系统统的的可可靠靠件件，，还还可可以以简简化化电电池池系系统统，，有有效效降降低低电电池池本本体体造造价价，，节节省省电电池池树树料料费费用用单单电电池池质质量量的的提提高高，，就就有有可可能能组组成成大大容容量量燃燃料电池电池堆，例如料电池电池堆，例如l 000kW电池推 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 电电池池软软件件方方面面指指的的是是燃燃料料电电池池生生产产技技术术规规范范。

当当电电池池硬硬件件方方面面过过关关之之后后，，就就从从组组织织生生产产与与管管理理方方面面寻寻找找降降低低电电池池造造价价的的途途径径由由于于燃燃料料电电池池是是出出单单电电池池层层叠叠而而成成，，电电站站输输出出功功率率选选择择比比较较自自由由，，将将单单电电池池组组合合成成电电油油堆堆，，采采用用几几组组电电池池堆堆即即可可提提高高燃燃料料电电池池电电站站的的输输出出功功率率因因此此，，要要将将单单单单电电电电池池池池标标标标准准准准化化化化，，，，形形形形成成成成多多多多种种种种规规规规格格格格的的的的电电电电极极极极面面面面积积积积，，，，使使使使单单单单电电电电池池池池生生生生产产产产形形形形成成成成流流流流水水水水线线线线作作作作业业业业热热交交换换器器、、涡涡轮轮式式压压缩缩机机、、逆逆变变器器等等辅辅助助设设备备均均应应与与燃燃料料电电池池系系统统配配套套，，形形成成一一套套生生产产标标准准，，这这样样，，既既可可以以提提高高电电池池的的产产量量，，又又能能大大辐辐度度降降低低电电池池生产成本生产成本。