磷酸燃料电池
磷酸燃料电池
磷酸燃料电池具有较高的能量密度和功率密度，能量转换效 率高，同时具有较低的温室气体排放和较长的使用寿命。
历史与发展
起源
磷酸燃料电池最早由美国科学 家R.A. Huggins于1950年代 发明，并在1960年代进行了
商业化应用。
发展历程
随着科技的不断进步，磷酸燃料 电池的制造工艺和性能得到了不 断提升，同时其应用领域也不断 扩大。
THANK YOU.
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磷酸燃料电池的工作原理
反应原理
阴极反应
O2+4H+4e¯=2H2O
阳极反应
H3PO4+3H2O+8e¯=4H3O2H
磷酸燃料电池的部件
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双极板
负责分配燃料和氧化剂，提供电流回路，同时 保持电池内的温度和压力。
电解质
磷酸电解质，维持电池内部的电化学反应。
催化剂
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用于加速电化学反应，提高电池性能。
制造成本高
由于需要使用稀有金属和 精细制造技术，磷酸燃料 电池的制造成本较高。
技术挑战
提高能效
目前磷酸燃料电池的能效较低 ，需要进一步提高其能效以降
低能源消耗。
开发高效催化剂
催化剂是影响磷酸燃料电池性能 的关键因素之一，需要开发更高 效的催化剂以提高其性能。
优化系统设计
需要进一步优化系统设计，提高磷 酸燃料电池的可靠性和稳定性，以 满足不同应用场景的需求。
磷酸燃料电池可以作为 新能源汽车的动力源， 具有高能量密度、低噪 音、零排放等优点，能 够满足环保和节能的需 求。
磷酸燃料电池还可以作 为便携式电源，用于野 外、应急等场合的供电 需求，能够提供稳定可 靠的电能输出。
除了以上用途，磷酸燃 料电池还可以应用于船 舶、航空航天等领域， 具有广泛的应用前景。
燃料电池之磷酸燃料电池
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磷酸型燃料电池 （Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）
中中南南大大学燃学料冶冶电金金池科之学学磷酸与与燃工工料程程电学池学院院
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-
❖总反应： 1/2O2+ H2
H2O 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。
燃料电池之磷酸燃料电池
PAFC优缺点
优点：与MCFC、SOFC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 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AFC（燃料气中不允许含CO2和CO) 及PEMFC（燃料气中不允许含CO)等低温型燃料电池 相比，具有耐燃料气及空气中的CO2能力，PAFC更能 适应各种工作环境。
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Vulcan XC-72经过这种处理其抗腐蚀性大为改善。
中中南南大大学燃学料冶冶电金金池科之学学磷酸与与燃工工料程程电学池学院院
在PAFC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 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 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 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铂表面积下降。
磷酸型燃料电池
发展过程
我国对PAFC 的研究基本上还处于空白状 态。作为燃料电池家族中最先实行商业化 的磷酸燃料电池，在实用化过程中取得了 许多具有应用价值的技术, 包括电池材料、 结构、系统以及运行等方面。针对我国燃 料电池目前研究现状, 若能将磷酸燃料电 池上取得的技术进行掌握并借鉴到其它类 型的燃料电池上, 对我国在燃料电池电站 建设方面的发展可以说是具有极大的指导 作用。
三、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。
四、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。
五、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。
应用前景
从节省资源、减少CO2 排放等观点来看,磷酸燃 料电池是非常有效的热电联产设备,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,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,将通过进一步降低成本 来提高其经济性,并通过不仅仅局限于城市燃气, 而且扩大到对生物气体等的循环型社会的多样 化燃料的适用范围,为磷酸型燃料电池的推广普 及而积极努力。
磷酸燃料电池的基本组成和反应原理
磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是： 燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改 质器，把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物， CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成 H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料 堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的 正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作 用迅速产生电能和热能。
燃料电池分类及其工作原理
燃料电池分类及其工作原理《燃料电池分类及其工作原理》燃料电池（Fuel Cell）是一种新型的能源转换装置，通过将燃料与氧气的化学反应转化为电能，实现能源的高效利用。
燃料电池被广泛运用于交通工具、移动电源、以及工业生产中等各个领域。
本文将介绍燃料电池的分类及其工作原理。
燃料电池可以根据其工作温度和所采用的电解质种类进行分类。
按照工作温度分，燃料电池主要分为低温燃料电池和高温燃料电池两大类。
低温燃料电池是在100°C以下工作温度下运行的，常见的低温燃料电池有质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）和直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）。
高温燃料电池则是在800°C以上工作温度下运行的，其中最常见的是磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）和碳酸盐燃料电池（Carbonate Fuel Cell，MCFC）。
质子交换膜燃料电池是一种基于质子导电机制工作的燃料电池。
它由质子交换膜、阳极、阴极和电子导电材料等组成。
当燃料流经阳极时，发生氧化反应，产生质子和电子。
质子通过质子交换膜传输到阴极一侧，而电子则通过外部电路传输，形成电流。
在阴极侧，氧气和质子发生还原反应，生成水和热。
这些反应产生的电能可以用于驱动电动车或供电其他设备。
直接甲醇燃料电池是一种将甲醇直接转化为电能的燃料电池。
它与质子交换膜燃料电池类似，但在阳极上加入了甲醇转化催化剂。
甲醇在阳极上被氧化成二氧化碳和水，并释放出质子和电子。
质子穿过质子交换膜到达阴极一侧，电子则通过外部电路传输，产生电流。
在阴极侧进行还原反应，生成水和热。
直接甲醇燃料电池可直接使用液态甲醇作为燃料，具有简单、方便的优势。
磷酸燃料电池是高温燃料电池的一种，它采用磷酸作为电解质。
它由贵金属催化剂的阳极和阴极，以及磷酸电解质组成。
新型燃料电池的设计与研发
新型燃料电池的设计与研发燃料电池作为一种新型清洁能源的代表，已经成为未来能源领域的研究热点之一。
通过将化学能转化为电能的反应，燃料电池可以实现高效能、高能量密度、零排放等优点。
然而，目前燃料电池普及度仍不高，这与其成本高、使用寿命短等问题有关。
如何设计和研发新型燃料电池，成为了科研人员共同面对的难题。
一、新型燃料电池的设计1、磷酸燃料电池（PAFC）磷酸燃料电池是一种传统的燃料电池。
该电池采用的是磷酸为电解质，作为质子传输介质，金属作为电极催化剂，氢气（或甲烷）和氧气（或空气）反应生成水和电能。
磷酸燃料电池具有高效、稳定等优点，但其催化剂成本高且使用寿命短、污染物排放量大等问题仍需解决。
2、聚合物电解质燃料电池（PEFC）聚合物电解质燃料电池使用聚合物为电解质，通常以氢气作为燃料，氧气作为氧化剂。
它具有效率高、能量密度高、使用寿命长等优点，且催化剂、电解质和电极等材料成本低廉，是目前应用最广泛的燃料电池之一。
然而，聚合物电解质燃料电池使用过程中需要保持较高的温度和水分含量，否则会影响电池的稳定性。
同时，氢气的存储和输送也存在一定的技术难题。
3、固体氧化物燃料电池（SOFC）固体氧化物燃料电池（SOFC）是另一种向高温方向发展的燃料电池。
它以固体氧化物为电解质，适用于燃料多样的应用场景。
SOFC与其他燃料电池相比，具有更高的效率和更长的使用寿命，且适用于中等规模和大规模应用。
但SOFC的使用温度较高（700-1000°C），需要加热，造成能量损失；且由于氧化物电解质的稳定问题，SOFC的实际应用场景受到限制。
二、新型燃料电池的研发在新型燃料电池的研发中，材料的研究是一个关键环节。
优化催化剂和提高电解质导电性，是促进燃料电池性能和稳定性发展的重要举措。
目前，针对这些问题的研究已经开始展开。
1、催化剂的优化如何减少催化剂的使用量、降低成本、提高催化效率等问题是当前的研究方向之一。
石墨烯、掺杂氧化物等材料正在被广泛研究用于催化剂的配制。
磷酸型燃料电池
contents
目录
• 燃料电池概述 • 磷酸型燃料电池结构与组成 • 磷酸型燃料电池工作原理及性能参数 • 磷酸型燃料电池制备工艺及优化方法 • 磷酸型燃料电池应用领域与市场前景 • 实验设计与数据分析方法
01 燃料电池概述
燃料电池定义与原理
燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能 的发电装置。其基本原理是电化学反应，通过燃料在阳极的 氧化和氧化剂在阴极的还原，产生电子流动从而形成电流。
• 提高电池温度：适当提高电池的工作温度，有利于提高电解质的质子传导效率 和电极的催化活性，从而提高电池性能。然而，过高的温度可能导致电池材料 的热稳定性和机械性能下降，因此需要权衡温度对电池性能的影响。
• 优化电池管理系统：通过改进电池管理系统的控制策略、提高系统的能量转换 效率等方式，优化电池的运行状态，延长电池的使用寿命并提高性能。例如， 可以采用先进的控制算法对电池进行充放电管理，避免过度充放电对电池造成 损害。
不同于传统电池，燃料电池的燃料和氧化剂并非预先存储于 电池内部，而是由外部供给，因此理论上只要不断供给燃料 和氧化剂，燃料电池就能持续发电。
燃料电池分类及应用领域
根据电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC）、 磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、 固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池 （PEMFC）等。
工作原理介绍
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电解质
采用磷酸作为电解质，利用其在高温下的离子导 电性。
电极反应
在阳极，燃料（如氢气）发生氧化反应，释放出 电子；在阴极，氧化剂（如氧气）接受电子发生 还原反应。
离子传导
磷酸中的氢离子在电极间传导，形成电流。
磷酸燃料电池
由于其结构较为复杂，需要更多的组件和密封件 。
需要维护
由于其结构复杂，因此需要更多的维护和保养， 制造成本也相对较高。
多极型磷酸燃料电池
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高能量密度
多极型磷酸燃料电池具有 很高的能量密度和功率输 出。
复杂结构
由于其结构非常复杂，制 造成本较高，需要更多的 维护和保养。
需要高性能密封件
2000年代至今
磷酸燃料电池技术得到了广泛应用和发展，逐 渐成为商业化应用的理想选择。
应用领域
电力领域
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作为分布式能源站，为工业企业和居民小区提供电力，也可作
为移动电源车应用在应急供电领域。
交通领域
02
作为车载电源和城市轻轨、列车等交通工具的牵引电源，为车
辆提供动力。
国防领域
03
作为移动电源和应急电源，为国防装备提供可靠的能源保障。
特点
磷酸燃料电池具有较高的能量密度和功率密度，能够直接使 用氢气作为燃料，并且其电解质具有较高的电导率和稳定性 。
发展历程
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1960年代
磷酸燃料电池的雏形出现，但因为其性能较低 且稳定性差，无法得到广泛应用。
1980年代
随着材料科学和电化学技术的不断进步，磷酸 燃料电池的性能得到了显著提升，并且开始进 入商业化应用阶段。
各领域企业将加强合作，实现资源共 享和优势互补，共同推动产业发展。
要点三
市场拓展
随着应用领域的不断拓展，磷酸燃料 电池市场规模将持续扩大，产业发展 前景广阔。
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测试环境要求
测试过程中需要注意环境因素，如温度和湿度等，以保证测试结 果的准确性和可靠性。
燃料电池三大技术路线
燃料电池三大技术路线
燃料电池技术主要包括三大技术路线：碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。
1. 碱性燃料电池（AFC）：碱性燃料电池使用氢气和氧气作为燃料，电化学反应发生在碱性电解质溶液中。
该技术路线具有高效率、高能量密度和较长寿命的特点。
然而，由于其碱性条件和液态电解质的使用，碱性燃料电池需要使用贵金属催化剂，成本较高且对碱性条件敏感。
2. 磷酸燃料电池（PAFC）：磷酸燃料电池是利用磷酸作为电
解质的一种燃料电池技术。
磷酸燃料电池的优点是具有较高的能量转换效率，较大的功率密度和较长的寿命。
然而，磷酸燃料电池操作温度较高，需要使用贵金属催化剂，且对磷酸电解质的稳定性要求较高。
3. 固体氧化物燃料电池（SOFC）：固体氧化物燃料电池是使
用固态氧化物作为电解质的一种燃料电池技术。
固体氧化物燃料电池具有高效率、高能量密度和良好的燃料灵活性等优点。
此外，固体氧化物燃料电池的操作温度较高，可以直接利用多种燃料，适用于多种应用场景。
然而，固体氧化物燃料电池存在材料选择和稳定性等技术挑战。
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• 为提高载体的抗腐蚀性能，可在惰性气氛下，高 温处理碳材料增加炭材长程有序度，如Vulcan XC-72经过这种处理其抗腐蚀性大为改善。
• 在PAFC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 晶导致铂表面积下降。 • 为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。一是用CO处理Pt/C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；二是引入合金元素与铂形成合金，增大铂与炭的结 合力，同时增加铂的电催化活性。
目录
一、PAFC概述 二、PAFC材料 三、PAFC结构 四、PAFC性能 五、PAFC应用
一、PAFC概述
• 磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）以磷酸为电解质，以贵金属（通常 为白金）作为电极来加速气体反应。工作 温度通常在150～220℃工作，磷酸燃料电 池效率要比其它燃料电池低，约为40% 。
• 整平层：为便于在支撑层上制备催化层， 在炭纸表面制备一层由X-72型炭和50%聚 四氟乙烯乳液组成的混合物，厚度1~2m。
• （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。
反应示意图
• （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， 使两级导通。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 电导热能力；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
二、PAFC材料
（1）电极材料：电极材料包括载体材料和电催化剂 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。
PAFC采用Pt/C电催化剂，其技术关键为在高比 表面积的炭黑上担载纳米级高分散的P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电催化剂；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。
三、PAFC结构
（1）电极结构 • PAFC采用的电极与AFC一样，均属多孔 气体扩散电极。为提高铂的利用率、降低 铂载量，开发了PAFC专用电极，该电极分 为三层： • 支撑层 • 整平层 • 催化层
相应的制备工艺 • 支撑层：将疏水碳纸浸入40%~50%的聚四 氟乙烯乳液后，孔隙率降至60%左右，平 均孔径12.5m。支撑层的厚度0.2~0.4mm 它的作用是支撑催化层，同时起收集和传 导电流的作用。
H2 2H 2e
反应示意图
与碱性燃料电池的比较
• 优点： • 对 CO2 的承受力强是PAFC的优点。阳极通以富氢并含 有 CO2的重整气体。 • 缺点: • 一、在酸性电池中，氧的电化学还原速度比碱性电池 中低得多。为了减少阴极极化、提高氧的电化学还原 速度，不仅须采用贵金属(如白金)作电催化剂，而且 反应温度需提高。 • 二、酸的腐蚀性比碱强得多，除贵金属与乙炔炭黑外， 现已开发的各种金属与合金材料(如钢)在酸性介质中 均发生严重的腐蚀。
磷酸燃料电池 Phosphoric Acid Fuel Cell PAFC
近日新闻
• 德国大众日前宣布，利用磷酸开发出了可 在120℃高温下工作的燃料电池。该公司预 测2020年便可向市场投放可供日常生活使 用的燃料电池车。此前的低温型燃料电池 （LTFC：Low Temperature Fuel Cell）受 制于固体高分子电解质膜的耐热性只能在 大约80℃的温度下工作。
（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。
• 活性电催化剂铂是担载在碳材料上的，碳材料在 PAFC工作条件下是相对稳定的。作为电催化剂 的载体，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，仅有无定形的炭 黑具有上述性能。目前广泛使用的用作Pt/C电催 化剂载体的炭黑是Cabot公司由石油生产的导电 型电炉黑Vulcan XC-72。
现今的主要用途
PAFC适于安装在居民区。高效、紧凑、无 污染是其主要特征。它是目前最成熟和商 业化程度最高的燃料电池。美国、日本、 以及一些西欧国家建造了许多试验电厂， 功率从数千瓦到数十兆瓦不等。
磷酸燃料电池工作原理
本质是氧化还原反应，以氢气—氧气反应为例
• 阳极半反应： • 1 • 阴极半反应： O2 2 H 2e H 2O 2 • 1 H 2 O2 H 2O • 总反应： 2 •