第五章燃料电池之磷酸燃料电池-3
合集下载
磷酸燃料电池
特点
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.
02
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
1 2
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
3
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。
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.
02
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
1 2
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
3
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。
磷酸型燃料电池
磷酸燃料电池的特点
(4)满负荷运行可达到40000h，电池的输出电压 的降低不大于10%, (5)装置紧凑，检修空间小，维修困难。 (6) PAFC电站可使用各种气态或液态燃料，主 要是使用天然气或液化天然气，也可以使用液 化石油气、煤油、沼气等。 (7)降低造价与技术的改进、标准化和大规模生 产分不开。
发展过程
进入20 世纪80 年代，由于日本的需求和其财力 雄厚，PAFC 的商业化工作主要在日本进行。 1990年，国际燃料电池公司（IFC）与日本东 芝公司以商业化为目的成立了ONSI公司，专门 生产PC-25型（200 kW）PAFC燃料电池成套 设备。之后，PC-25型由A型发展到B型，C型 和D型。 德国大众目前正在技术中心以达到实用化水平 为目标进行研发。该公司今后打算在2010年前 后生产配备输出功率更高的HTFC系统的试验用 燃料电池车，并力争2020年前后投产 。
研究重点
（1）进一步提高电池比功率 （2）延长使用寿命 （3）降低制造成本 因此开发出活性高、稳定性好的新的 电极催化剂就成了解决上述问题的一项非 常重要的措施。
发展过程
磷酸燃料电池(PAFC)自从20世纪60年代在美国 开始研究以来，由于操作温度低，耐CO 中毒能 力强等特点，得到了优先发展，是目前技术成 熟、发展最快的燃料电池, 也是目前唯一实行 商业化的燃料电池。代表性的公司有美国的联 合技术公司(UTC)。1977年由美国9家电力公司 与UTC联合开发兆瓦级燃料电池，1983年后由 UTC派生的国际燃料电池公司(IFC)开始了200 KW 级PAFC成套设备的开发，在美国已建造了 1MW、4.5MW和7.5MW的PAFC电站。
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。
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。
磷酸型燃料电池
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
1 2 3
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。
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
1 2 3
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。
磷酸盐型燃料电池
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(H3PO4—H+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磷酸型燃料电他的工作条件有以下几个方面:(1)工作温度PAFC的工作温度为453—483K。
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。
(2)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。
(4)燃料利用率P观的燃料利用率为70％一80％。
所谓燃料利用率指的是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。
(5)氧化剂利用率PAFl：的氧化剂利用率为50％一60％。
以空气作氧化剂为例，空气中氧含量约为21％，50％一60％的氧化剂利用率指的是空气中的氧有50％一60％在燃料电池内被消耗掉。
(6)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。
(1)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。
《磷酸型燃料电池》课件
《磷酸型燃料电池》PPT 课件
欢迎来到《磷酸型燃料电池》PPT课件！在本课程中，我们将深入探讨磷酸型 燃料电池的基本概念和原理，并研究其优势、应用以及实验过程。
磷酸型燃料电池
燃料电池的定义及功能 磷酸型燃料电池的种类及工作原理
பைடு நூலகம்
磷酸型燃料电池的优势和应用
磷酸型燃料电池的优点和局限性 磷酸型燃料电池的应用领域及前景
磷酸型燃料电池的实验和实现
磷酸型燃料电池的实验过程及技术要点 磷酸型燃料电池的实现和展望
总结
磷酸型燃料电池的前景和意义 磷酸型燃料电池的进一步研究和应用的展望 备注：本PPT课件的内容可能存在局限性，仅供参考学习使用。
欢迎来到《磷酸型燃料电池》PPT课件！在本课程中，我们将深入探讨磷酸型 燃料电池的基本概念和原理，并研究其优势、应用以及实验过程。
磷酸型燃料电池
燃料电池的定义及功能 磷酸型燃料电池的种类及工作原理
பைடு நூலகம்
磷酸型燃料电池的优势和应用
磷酸型燃料电池的优点和局限性 磷酸型燃料电池的应用领域及前景
磷酸型燃料电池的实验和实现
磷酸型燃料电池的实验过程及技术要点 磷酸型燃料电池的实现和展望
总结
磷酸型燃料电池的前景和意义 磷酸型燃料电池的进一步研究和应用的展望 备注：本PPT课件的内容可能存在局限性，仅供参考学习使用。
燃料电池工作原理、分类及组成
在五六十年代，阱-空气燃料电池曾作为军用电源大力开发。
这种电池最主要的缺点是阱具有极高毒性、价格昂贵。而 且，这种电池系统需要大量辅助设备，这不仅需要消耗电 池所产生功率中的相当大一部分，而且在电池正常工作前 必须启动这些辅助设备。
因此，尽管在理论上阱氧化产生的能量比大多数其他燃料 要大得多，但阱电池在商业上似乎不大可能有重要用途。
阴极 总反应
3 2
O2
6H
6e
3H 2 O
3 CH3OH 2 O2 CO2 2H2O
甲醇在阳极电化学氧化过程的机理非常复杂，在完成6个 电子转移的过程中，会生成众多稳定或不稳定的中间物， 有的中间物会成为电催化剂的毒物，导致催化剂中毒， 从而降低电催化剂的电催化活性。
甲醇氧化的可能步骤
因此，DMFC开发过程中，甲醇直接氧化电催化剂的研发、 反应机理等一直是研究热点，也是DMFC发展的关键之一。
PAFC结构
PAFC系统
AFC
碱性燃料电池
碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池相似，但其使用的电 解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。电化学反应：
阳极： 2H 4OH 4H2O 4e 阴极： O2 2H2O 4e 4OH
碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此启动也很快，但其电力密度 却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得笨拙。 不过，它们是燃料电池中生产成本最低的，因此可用于小型的固定发 电装置。
液体燃料在进入AFC电池堆之前必须进行预处理。阱 （N2H4）在AFC阳极上易分解成氢气和氯气，其电极 反应可能是：
实验结果表明，以阱为燃料的AFC电性能与氢氧 AFC电性能差不多相等。 有人认为这两种燃料的电化学过程实际上是相同 的，阱仅仅起到氢气源的作用。
磷酸燃料电池
结构复杂
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
01
02
03
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
01
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
1 2 3
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。
THANKS
感谢观看
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。
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
01
02
03
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
01
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
1 2 3
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。
THANKS
感谢观看
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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： 第一层：疏水碳纸 通常称支撑层 浸入40%~50%的聚四 氟乙烯乳液后，孔隙率降至60%左右，平均孔径为12.5m。支撑 层的厚度为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。
电极与隔板必须具有良好的导电性、耐腐蚀性 和较长的寿命。 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。
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PAFC结构图 (a)槽形电极型，(b)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
2)电池堆构造 : PAFC单电池的电压特性为 0.7v (当i＝200mmA/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电池堆。 PAFC电池堆包括电极 (燃料极与 空气极 ) 、含磷酸的电解质层、集流 — 隔板、冷 却板、各种类型物料管及其他辅助元件等关键部 件。 在 PAF 电池堆中，每隔 5-7 个单电池就设置一 块冷却板。通常 1 个电池堆可以组成 500-800kw 级发电装置，对于容量更大的电站系统，则由数 组电池堆组合而成。
先将铂氯酸 转化为铂络 合物，再由 铂络合物制 备高分散 Pt/C催化剂 从铂氯酸的水 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
关键 材料
关键材料
Pt/C催化剂
电催化剂 电解质
合金催化剂
关键 材料
在已制备好的纳 米级Pt/C催化剂 隔膜 上浸渍化学计量 的过渡金属盐（ 如硝酸盐或氯化 物），然后在惰 双极板 性气氛下高温处 理，制备铂合金 催化剂
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 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。
操作 条件
温度：1023-1123K, 温度：高温段 压力：0-0.98 MPa， 593-753K,低温段 水-碳之比：2-4 453-553K；压力： 0-0.98MPa Fe-Cr催化剂 Cu-Zn催化剂
催化 剂
Co-Mo催化剂， Ni催化剂 或Ni-Mo催化 剂、ZnO
电池系统组成
燃料电 池本体 燃料转 化装置
燃料气组成
工作温度
工作压力
工作 条件
燃料利用率
氧化剂利用率
PAFC为50-60%
燃料气组成
工作温度
工作压力
工作 条件
燃料利用率
氧化剂利用率 典型的PAFC燃料气中约 含80%H2、20%CO2以及 少量CH4、CO与硫化物。
燃料气组成
5.3.3电池系统组成
燃料电 池本体 燃料转 化装置
组成
热量管 理单元 系统控 制单元
PAFCபைடு நூலகம்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。
组成
热量管 理单元
逆变器
系统控 制单元
将燃料电池系统 生产的直流电转 换成交流电
过程控制系统
电池系统组成
燃料电 池本体 燃料转 化装置
组成
热量管 理单元 系统控 制单元 设计的基本准则是 逆变器 有效的管理响应相 时间相异的各个过 程
过程控制系统
5.3.4关键材料
Pt/C催化剂
电催化剂 电解质 隔膜 双极板
水冷式
冷却 方式
组成
热量管 理单元 系统控 制单元
空冷式
冷却水的 温度大约 在160-180℃
绝缘油冷却
电池系统组成
燃料电 池本体 燃料转 化装置 沸水冷却
水冷式
冷却 方式
组成
热量管 理单元 系统控 制单元
加压水冷却
空冷式 绝缘油冷却
电池系统组成
燃料电 池本体 燃料转 化装置
水冷式
冷却 方式
组成
燃料气组成
工作温度
工作压力 常压至几百千帕
工作 条件
小功率采用常压操作，大功 率的大多采用加压操作，较 大压力下PAFC电化学反应速 氧化剂利用率 率加快、发电效率提高。
燃料利用率
燃料气组成
工作温度
工作压力
工作 条件
燃料利用率
氧化剂利用率
是指在燃料电池内部转化 为电能的氢气量与燃料气 中所含的氢气量之比， PAFC为70-80%。
将氯铂酸与 过渡金属的 氯化物或硝 酸盐水溶液 利用还原剂 共沉淀到炭 上，再焙烧 制铂合金催 化剂
关键材料
电催化剂 电解质 隔膜 双极板
磷酸浓度是一个非常 重要的参数，合适范 围为98-99%
关键 材料
关键材料
电催化剂 电解质 隔膜 双极板
作用：质子传 导和隔离氧化 剂和燃料 采用SiC,由于是惰性的， 具有很好的化学稳定性
电池系统组成
电极支持层 燃料电 池本体 燃料转 化装置 单电池 电极（燃料极与空气极） 双极板 介于两电极之间富 含浓磷酸的电解质层
组成
热量管 理单元 系统控 制单元
1）电池本体： 单电池构造： PAFC单电池的基本构成如图所示
磷酸型燃料电池(单电池)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 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
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
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
电池系统组成
燃料电 池本体 燃料转 化装置
冷却 方式 司研究开发。适用 于小型现场型燃料 空冷式 电池系统。
组成
热量管 理单元 系统控 制单元
绝缘油冷却
冷却方式： 在 PAFC 电池堆中，有 3 种不同冷却方式，即水冷 却、空气冷却和绝缘油冷却。一般来讲，水冷却 式的冷却效果优于其他两种方式，对于大规模电 站系统更是如此。空气冷却比水冷却简单，适合 小规模发电装置，但空气冷却需要较多的辅助动 力设备以促进空气循环，发电系统净效率将会降 低。 从冷却效果与系统复杂程度比较，绝缘油冷却 方式介于水冷却与空气冷却两者之间，它的整个 系统比较紧凑、简单，且不易腐蚀。下表对PAFC 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
（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SiCPTFE。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。
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 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。
关键 材料
关键材料
电催化剂 电解质 隔膜 平板型 双极板 槽型
关键 材料
PAFC关键材料
（1）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。
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Pt微晶。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 Pt/C电催化剂。 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， 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催化剂担体的炭 黑是Cabot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 长程有序度，如Vulcan XC-72经过这种处理其抗腐蚀性大为改善。
热量管 理单元 系统控 制单元
空冷式
绝缘油冷却
利用空气强 制对流而将 燃料电池产 生的热量移 走。