磷酸燃料電池簡介

雖然相對于其它類型的燃料電池 PAFC 在技術上已經(jīng)比較成熟，但仍然面臨一些亟待解決的課題 ———須進一步提高電池比功率，延長使用壽命，降低制造成本等，而開發(fā)活性高、穩(wěn)定性好的新的電極催化劑是解決上述問題的一項非常重要的措施。PAFC 在我國還沒有引起重視，磷酸燃料電池 ( PAFC) 自從 60 年代在美國開始研究以來，越來越廣泛地受到人們重視，許多國家投入大量資金用于支持項目研究和開發(fā)。在美國，能源部 (DOE) 、電力研究協(xié)會( EPRI) 以及氣體研究協(xié)會( GRI) 三個部門在 1985～1989 年投入到 PAFC 研究開發(fā)經(jīng)費高達 1. 22 億美元。日本政府部門在 1981～1990 年用于 PAFC 的費用也達到1.15億美元。意大利、南朝鮮、印度、臺灣等國家和地區(qū)也紛紛組織 PAFC 的研究開發(fā)計劃。世界上許多著名公司，如東芝、富士電機、西屋電氣、三菱、三洋以及日立等公司都參與了 PAFC 的開發(fā)與制造工作。由美國國際燃料電池公司( IFC) 與日本東芝公司聯(lián)合組建的 ONSI 公司在PAFC 技術上處于世界領先地位。以美國和日本的一些煤氣公司和電力公司為主，許多公司一直在參與 PAFC 的示范和論證試驗，以取得運行和維護方面的經(jīng)驗。

燃料電池被稱為繼火電、水電、核電之后的第四種發(fā)電方式，應用前景十分廣闊。然而作為一種新型發(fā)電技術 ，PAFC 要獲得社會廣泛認可和使用，需要進一步改進性能，降低制造成本。亟待解決的 PAFC 研究課題，概括來講就是：

(1) 提高電池功率密度；

(2) 延長電池使用壽命，提高其運行可靠性；

(3) 進一步降低電池制造成本。電池比功率指單位面積電極的輸出功率，它是燃料電池的一項重要指標。

提高電池功率密度不但有利于減少電池的質量和尺寸，而且可以降低電池造價。開發(fā)高活性催化劑，優(yōu)化多孔氣體電極結構，研制超薄的導熱、導電性能良好的電極基體材料等都將改善電池的輸出性能。在 PAFC 長期運行過程中，其輸出性能不可避免要降低，特別是在操作溫度比較高，電極電位也比較高的情況下，電池性能下降更快。為此，需要研究催化劑 Pt 微晶聚集長大以及催化劑載體腐蝕問題，開發(fā)保證電池溫度分布均勻的冷卻方式，以及尋找避免電池在低的用電負荷或空載時出現(xiàn)較高電極電位的方法。由于電池本體占整個 PAFC 裝置成本的 42 %～45%，因此降低它的制造成本非常關鍵。在電池性能方面，提高電池功率密度，簡化電池結構都是非常有效的措施。在電池加工方面，則待開發(fā)電池部件的大批量、大型化制造技術以及氣室分隔板與電極基板組合的技術 。

PAFC 用于發(fā)電廠包括兩種情形：分散型發(fā)電廠，容量在 10～20 MW 之間，安裝在配電分站；中心電站型發(fā)電廠，裝機容量在100MW 以上，可以作為中等規(guī)模熱電廠。PAFC 電廠比起一般發(fā)電廠具有如下優(yōu)點：即使在發(fā)電負荷較低時，依然保持高的發(fā)電效率；由于采用模板結構，現(xiàn)場安裝，簡單、省時，并且電廠擴容容易。1991年，東芝與 IFC 聯(lián)合為東京電力公司建成了世界上最大的11 MW PAFC裝置。該裝置發(fā)電效率達41.1%，能量利用率為72.7 %。

現(xiàn)場(集中)發(fā)電(cogeneration)指把 PAFC 直接安裝在用戶附近，同時提供熱和電。這被認為是 PAFC 的最佳應用方案。這種方案的優(yōu)點是：可根據(jù)需要設置裝機容量或調整發(fā)電負荷，卻不會影響裝置的發(fā)電效率，既使小容量QAFC裝置也能達到相當于現(xiàn)代大型熱電廠的效率；有效利用電和熱，傳輸損失小。1993年9月，大坂煤氣公司在大坂建造了未來型試驗住宅 NECT21。該住宅以100kWPAFC作為主要電源，屋頂輔以太陽能電池，開創(chuàng)了一條建設符合環(huán)保和節(jié)能要求的獨立電源系統(tǒng)新方案。

新一輪燃料電池研究熱潮已經(jīng)到來，有不少單位進行熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質子交換膜燃料電池( PEMFC)，以及直接甲醇燃料電池 (DMFC) 研究，然而至今惟有 PAFC 研究仍屬空白。面對廣闊市場前景，除日本、美國、歐洲等發(fā)達國家外，許多發(fā)展中國家也采取引進、消化等方式，積極發(fā)展本國 PAFC 技術。我國是一個人口眾多的發(fā)展中國家，面臨著十分嚴峻的資源和環(huán)保問題。大力發(fā)展能量利用率高，有害物質排放量極少的 PAFC 技術，就顯得非常必要。因此建議：

(1) 國家應該盡快設立 PAFC 開發(fā)研究計劃，給予足夠資金投入，支持 PAFC 基礎和應用研究?？v觀所有已進行開發(fā)國家，毫無例外是在國家大力支持下開始起步的。

(2) 加強國際交流合作，并積極引進國外先進 PAFC 裝置，以積累操作、維護經(jīng)驗。韓國、意大利等國家就是通過引進 PAFC 裝置，在較短時間內掌握了此項技術。美國和日本在PAFC 技術上處于領先地位，它們既是競爭對手，同時又通過購買設備、組建合資公司等方式加強相互間合作。

(3) 組織各部門分工協(xié)作，爭取及早制造出國產 PAFC裝置。由于 PAFC 技術復雜，可由化工、機械、電工、研究單位分別負責天然氣轉化制氫、設備制造、交直流轉換、電池本體制作安裝。我國于 1997 年成立了在中國電工技術學會領導下的氫能發(fā)電裝置專業(yè)委員會，這為組織研制開發(fā) PAFC工作創(chuàng)造了有利條件 。

較高的工作溫度也使其對雜質的耐受性較強，當其反應物中含有1-2%的一氧化碳和百萬分之幾的硫時，磷酸燃料電池照樣可以工作。

磷酸燃料電池的效率比其它燃料電池低，約為40%，其加熱的時間也比質子交換膜燃料電池長。雖然磷酸燃料電池具有上述缺點，它們也擁有許多優(yōu)點，例如構造簡單，穩(wěn)定，電解質揮發(fā)度低等。磷酸燃料電池可用作公共汽車的動力，而且有許多這樣的系統(tǒng)正在運行，不過這種電池似乎將來也不會用于私人車輛。在過去的20多年中，大量的研究使得磷酸燃料電池能成功地用語固定的應用，已有許多發(fā)電能力為0.2 – 20 MW的工作裝置被安裝在世界各地，為醫(yī)院，學校和小型電站提供動力。

它采用磷酸為電解質，利用廉價的炭材料為骨架。它除以氫氣為燃料外，還有可能直接利用甲醇、天然氣、城市煤氣等低廉燃料，與堿性氫氧燃料電池相比，最大的優(yōu)點是它不需要CO₂處理設備。磷酸型燃料電池已成為發(fā)展最快的，也是最成熟的燃料電池，它代表了燃料電池的主要發(fā)展方向。

如圖《PAFC燃料電池基本結構》所示，電池中采用的是100%磷酸電解質，其常溫下是固體，相變溫度是42℃。氫氣燃料被加入到陽極，在催化劑作用下被氧化成為質子，同時釋放出兩個自由電子。氫質子和磷酸結合成磷酸合質子，向正極移動。電子向正極運動，而水合質子通過磷酸電解質向陰極移動。因此，在正極上，電子、水合質子和氧氣在催化劑的作用下生成水分子。具體的電極反應表達如下。

負極反應：

H₂→ 2

正極反應：

O₂ 4

總反應：

O₂ 2H₂→ 2H₂O

磷酸燃料電池一般工作在200℃左右，采用鉑作為催化劑，效率達到40%以上。由于不受二氧化碳限制，磷酸燃料電池可以使用空氣作為陰極反應氣體，也可以采用重整氣作為燃料，這使得它非常適合用作固定電站。

PAFC用于發(fā)電廠包括兩種情形：分散型發(fā)電廠，容量在10-20MW之間，安裝在配電站；中心電站型發(fā)電廠，容量在100MW以上，可以作為中等規(guī)模熱電廠。PAFC電廠比起一般電廠具有如下優(yōu)點：即使在發(fā)電負荷比較低時，依然保持高的發(fā)電效率；由于采用模塊結構，現(xiàn)場安裝簡單，省時，并且電廠擴容容易。

受1973年世界性石油危機以及美國PAFC研發(fā)的影響，日本決定開發(fā)各種類型的燃料電池，PAFC作為大型節(jié)能發(fā)電技術由新能源產業(yè)技術開發(fā)機構（NEDO）進行開發(fā)。自1981年起，進行了100kW現(xiàn)場型PAFC發(fā)電裝置的研究和開發(fā)。1986年又開展了200kW現(xiàn)場性發(fā)電裝置的開發(fā)，以適用于邊遠地區(qū)或商業(yè)用的PAFC發(fā)電裝置。

富士電機公司是日本最大的PAFC電池堆供應商。截至1992年，該公司已向國內外供應了17套PAFC示范裝置，富士電機在1997年3月完成了分散型5MW設備的運行研究。作為現(xiàn)場用設備已有50kW、100kW及500kW總計88種設備投入使用 。

燃料電池通常是按構成的電解質來分類。開發(fā)最為盛行的有4種燃料電池。各種燃料電池，特別是其動作溫度不相同，最先進行開發(fā)的磷酸型燃料電池（PAFC）約在200℃的溫度下動作。相對于此，熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池均可應用在以石燃料為基本燃料的電廠內，可作為電力電源來利用。高溫型燃料電池又可稱之為是通過利用其高質量排氣，來面向復合發(fā)電的燃料電池。

電池的活性物質為H₂(g)和O₂(g)；根據(jù)電解質性質的不同有酸性、堿性、熔融鹽燃料電池；按使用溫度有低溫(75～100℃)、中溫(100～500℃)、高溫(500～1000℃)型燃料電池。例如離子交換膜低溫酸性氫-氧燃料電池，正、負極為少量貴金屬催化劑與導電金屬網(wǎng)制成，將它們分別壓于離子交換膜兩側，電解液為高濃度的磷酸，工作溫度為40～60℃。又如低溫堿性氫-氧燃料電池，負極為鎳粉和鉑、鈀燒結而成，正極為有效面積很大的銀電極，電解液為高濃度的KOH溶液，隔膜為石棉膜或鈦酸鉀膜，工作溫度為80～90℃。高溫固體電解質燃料電池，復合氧化物(ZrO₂)0.85(CaO)0.15、(ZrO₂)0.9(Y₂O₃)0.1，碳酸鹽等為固體電解質，高溫下它們的離子能夠導電。將固體電解質制成短管，在其內外壁涂覆多孔的Pt作為正、負極。工作溫度為1000℃。