磷酸燃料電池主要特點(diǎn)

較高的工作溫度也使其對(duì)雜質(zhì)的耐受性較強(qiáng)，當(dāng)其反應(yīng)物中含有1-2%的一氧化碳和百萬(wàn)分之幾的硫時(shí)，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(shí)間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長(zhǎng)。雖然磷酸燃料電池具有上述缺點(diǎn)，它們也擁有許多優(yōu)點(diǎn)，例如構(gòu)造簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，電解質(zhì)揮發(fā)度低等。磷酸燃料電池可用作公共汽車(chē)的動(dòng)力，而且有許多這樣的系統(tǒng)正在運(yùn)行，不過(guò)這種電池似乎將來(lái)也不會(huì)用于私人車(chē)輛。在過(guò)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(yǔ)固定的應(yīng)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(xué)校和小型電站提供動(dòng)力。

它采用磷酸為電解質(zhì)，利用廉價(jià)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(diǎn)是它不需要CO₂處理設(shè)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。

新一輪燃料電池研究熱潮已經(jīng)到來(lái)，有不少單位進(jìn)行熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質(zhì)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(duì)廣闊市場(chǎng)前景，除日本、美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家外，許多發(fā)展中國(guó)家也采取引進(jìn)、消化等方式，積極發(fā)展本國(guó) PAFC 技術(shù)。我國(guó)是一個(gè)人口眾多的發(fā)展中國(guó)家，面臨著十分嚴(yán)峻的資源和環(huán)保問(wèn)題。大力發(fā)展能量利用率高，有害物質(zhì)排放量極少的 PAFC 技術(shù)，就顯得非常必要。因此建議：

(1) 國(guó)家應(yīng)該盡快設(shè)立 PAFC 開(kāi)發(fā)研究計(jì)劃，給予足夠資金投入，支持 PAFC 基礎(chǔ)和應(yīng)用研究?？v觀(guān)所有已進(jìn)行開(kāi)發(fā)國(guó)家，毫無(wú)例外是在國(guó)家大力支持下開(kāi)始起步的。

(2) 加強(qiáng)國(guó)際交流合作，并積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn) PAFC 裝置，以積累操作、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。韓國(guó)、意大利等國(guó)家就是通過(guò)引進(jìn) PAFC 裝置，在較短時(shí)間內(nèi)掌握了此項(xiàng)技術(shù)。美國(guó)和日本在PAFC 技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，它們既是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，同時(shí)又通過(guò)購(gòu)買(mǎi)設(shè)備、組建合資公司等方式加強(qiáng)相互間合作。

(3) 組織各部門(mén)分工協(xié)作，爭(zhēng)取及早制造出國(guó)產(chǎn) PAFC裝置。由于 PAFC 技術(shù)復(fù)雜，可由化工、機(jī)械、電工、研究單位分別負(fù)責(zé)天然氣轉(zhuǎn)化制氫、設(shè)備制造、交直流轉(zhuǎn)換、電池本體制作安裝。我國(guó)于 1997 年成立了在中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下的氫能發(fā)電裝置專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，這為組織研制開(kāi)發(fā) PAFC工作創(chuàng)造了有利條件 。

現(xiàn)場(chǎng)(集中)發(fā)電(cogeneration)指把 PAFC 直接安裝在用戶(hù)附近，同時(shí)提供熱和電。這被認(rèn)為是 PAFC 的最佳應(yīng)用方案。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：可根據(jù)需要設(shè)置裝機(jī)容量或調(diào)整發(fā)電負(fù)荷，卻不會(huì)影響裝置的發(fā)電效率，既使小容量QAFC裝置也能達(dá)到相當(dāng)于現(xiàn)代大型熱電廠(chǎng)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(lái)型試驗(yàn)住宅 NECT21。該住宅以100kWPAFC作為主要電源，屋頂輔以太陽(yáng)能電池，開(kāi)創(chuàng)了一條建設(shè)符合環(huán)保和節(jié)能要求的獨(dú)立電源系統(tǒng)新方案。

PAFC 用于發(fā)電廠(chǎng)包括兩種情形：分散型發(fā)電廠(chǎng)，容量在 10～20 MW 之間，安裝在配電分站；中心電站型發(fā)電廠(chǎng)，裝機(jī)容量在100MW 以上，可以作為中等規(guī)模熱電廠(chǎng)。PAFC 電廠(chǎng)比起一般發(fā)電廠(chǎng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：即使在發(fā)電負(fù)荷較低時(shí)，依然保持高的發(fā)電效率；由于采用模板結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)安裝，簡(jiǎn)單、省時(shí)，并且電廠(chǎng)擴(kuò)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(dá)41.1%，能量利用率為72.7 %。

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

(1) 提高電池功率密度；

(2) 延長(zhǎng)電池使用壽命，提高其運(yùn)行可靠性；

(3) 進(jìn)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(xiàng)重要指標(biāo)。

提高電池功率密度不但有利于減少電池的質(zhì)量和尺寸，而且可以降低電池造價(jià)。開(kāi)發(fā)高活性催化劑，優(yōu)化多孔氣體電極結(jié)構(gòu)，研制超薄的導(dǎo)熱、導(dǎo)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(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)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(zhǎng)大以及催化劑載體腐蝕問(wèn)題，開(kāi)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(fù)荷或空載時(shí)出現(xiàn)較高電極電位的方法。由于電池本體占整個(gè) PAFC 裝置成本的 42 %～45%，因此降低它的制造成本非常關(guān)鍵。在電池性能方面，提高電池功率密度，簡(jiǎn)化電池結(jié)構(gòu)都是非常有效的措施。在電池加工方面，則待開(kāi)發(fā)電池部件的大批量、大型化制造技術(shù)以及氣室分隔板與電極基板組合的技術(shù) 。

雖然相對(duì)于其它類(lèi)型的燃料電池 PAFC 在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，但仍然面臨一些亟待解決的課題 ———須進(jìn)一步提高電池比功率，延長(zhǎng)使用壽命，降低制造成本等，而開(kāi)發(fā)活性高、穩(wěn)定性好的新的電極催化劑是解決上述問(wèn)題的一項(xiàng)非常重要的措施。PAFC 在我國(guó)還沒(méi)有引起重視，磷酸燃料電池 ( PAFC) 自從 60 年代在美國(guó)開(kāi)始研究以來(lái)，越來(lái)越廣泛地受到人們重視，許多國(guó)家投入大量資金用于支持項(xiàng)目研究和開(kāi)發(fā)。在美國(guó)，能源部 (DOE) 、電力研究協(xié)會(huì)( EPRI) 以及氣體研究協(xié)會(huì)( GRI) 三個(gè)部門(mén)在 1985～1989 年投入到 PAFC 研究開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)高達(dá) 1. 22 億美元。日本政府部門(mén)在 1981～1990 年用于 PAFC 的費(fèi)用也達(dá)到1.15億美元。意大利、南朝鮮、印度、臺(tái)灣等國(guó)家和地區(qū)也紛紛組織 PAFC 的研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃。世界上許多著名公司，如東芝、富士電機(jī)、西屋電氣、三菱、三洋以及日立等公司都參與了 PAFC 的開(kāi)發(fā)與制造工作。由美國(guó)國(guó)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(shù)上處于世界領(lǐng)先地位。以美國(guó)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(yàn)，以取得運(yùn)行和維護(hù)方面的經(jīng)驗(yàn)。

如圖《PAFC燃料電池基本結(jié)構(gòu)》所示，電池中采用的是100%磷酸電解質(zhì)，其常溫下是固體，相變溫度是42℃。氫氣燃料被加入到陽(yáng)極，在催化劑作用下被氧化成為質(zhì)子，同時(shí)釋放出兩個(gè)自由電子。氫質(zhì)子和磷酸結(jié)合成磷酸合質(zhì)子，向正極移動(dòng)。電子向正極運(yùn)動(dòng)，而水合質(zhì)子通過(guò)磷酸電解質(zhì)向陰極移動(dòng)。因此，在正極上，電子、水合質(zhì)子和氧氣在催化劑的作用下生成水分子。具體的電極反應(yīng)表達(dá)如下。

負(fù)極反應(yīng)：

H₂→ 2

正極反應(yīng)：

O₂ 4

總反應(yīng)：

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(dá)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(yīng)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(chǎng)包括兩種情形：分散型發(fā)電廠(chǎng)，容量在10-20MW之間，安裝在配電站；中心電站型發(fā)電廠(chǎng)，容量在100MW以上，可以作為中等規(guī)模熱電廠(chǎng)。PAFC電廠(chǎng)比起一般電廠(chǎng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：即使在發(fā)電負(fù)荷比較低時(shí)，依然保持高的發(fā)電效率；由于采用模塊結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，省時(shí)，并且電廠(chǎng)擴(kuò)容容易。

受1973年世界性石油危機(jī)以及美國(guó)PAFC研發(fā)的影響，日本決定開(kāi)發(fā)各種類(lèi)型的燃料電池，PAFC作為大型節(jié)能發(fā)電技術(shù)由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）進(jìn)行開(kāi)發(fā)。自1981年起，進(jìn)行了100kW現(xiàn)場(chǎng)型PAFC發(fā)電裝置的研究和開(kāi)發(fā)。1986年又開(kāi)展了200kW現(xiàn)場(chǎng)性發(fā)電裝置的開(kāi)發(fā)，以適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)或商業(yè)用的PAFC發(fā)電裝置。

富士電機(jī)公司是日本最大的PAFC電池堆供應(yīng)商。截至1992年，該公司已向國(guó)內(nèi)外供應(yīng)了17套PAFC示范裝置，富士電機(jī)在1997年3月完成了分散型5MW設(shè)備的運(yùn)行研究。作為現(xiàn)場(chǎng)用設(shè)備已有50kW、100kW及500kW總計(jì)88種設(shè)備投入使用 。

燃料電池通常是按構(gòu)成的電解質(zhì)來(lái)分類(lèi)。開(kāi)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(dòng)作溫度不相同，最先進(jìn)行開(kāi)發(fā)的磷酸型燃料電池（PAFC）約在200℃的溫度下動(dòng)作。相對(duì)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(yīng)用在以石燃料為基本燃料的電廠(chǎng)內(nèi)，可作為電力電源來(lái)利用。高溫型燃料電池又可稱(chēng)之為是通過(guò)利用其高質(zhì)量排氣，來(lái)面向復(fù)合發(fā)電的燃料電池。

電池的活性物質(zhì)為H₂(g)和O₂(g)；根據(jù)電解質(zhì)性質(zhì)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(fù)極為少量貴金屬催化劑與導(dǎo)電金屬網(wǎng)制成，將它們分別壓于離子交換膜兩側(cè)，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(fù)極為鎳粉和鉑、鈀燒結(jié)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(zhì)燃料電池，復(fù)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(zhì)，高溫下它們的離子能夠?qū)щ姟⒐腆w電解質(zhì)制成短管，在其內(nèi)外壁涂覆多孔的Pt作為正、負(fù)極。工作溫度為1000℃。