磷酸燃料電池

磷酸燃料電池（PAFC）是當前商業化發展得最快的一種燃料電池。正如其名字所示，這種電池使用液體磷酸為電解質，通常位於碳化矽基質中。磷酸燃料電池的工作溫度要比質子交換膜燃料電池和鹼性燃料電池的工作溫度略高，位於150 - 200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反應。其陽極和陰極上的反應與質子交換膜燃料電池相同，但由於其工作溫度較高，所以其陰極上的反應速度要比質子交換膜燃料電池的陰極的速度快。

基本介紹

• 中文名：磷酸燃料電池
• 外文名：PAFC
• 類型：燃料電池
• 工作溫度：150 - 200℃左右
• 學科：電力工程
• 領域：工程技術

簡介

雖然相對於其它類型的燃料電池 PAFC 在技術上已經比較成熟，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，降低製造成本等，而開發活性高、穩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於支持項目研究和開發。在美國，能源部 (DOE) 、電力研究協會( EPRI) 以及氣體研究協會( GRI) 三個部門在 1985～1989 年投入到 PAFC 研究開發經費高達 1. 22 億美元。日本政府部門在 1981～1990 年用於 PAFC 的費用也達到1.15億美元。義大利、南韓、印度、台灣等國家和地區也紛紛組織 PAFC 的研究開發計畫。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 的開發與製造工作。由美國國際燃料電池公司( IFC) 與日本東芝公司聯合組建的 ONSI 公司在PAFC 技術上處於世界領先地位。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 的示範和論證試驗，以取得運行和維護方面的經驗。

磷酸燃料電池的進展

燃料電池被稱為繼火電、水電、核電之後的第四種發電方式，套用前景十分廣闊。然而作為一種新型發電技術 ，PAFC 要獲得社會廣泛認可和使用，需要進一步改進性能，降低製造成本。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) 進一步降低電池製造成本。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於減少電池的質量和尺寸，而且可以降低電池造價。開發高活性催化劑，最佳化多孔氣體電極結構，研製超薄的導熱、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較高電極電位的方法。由於電池本體占整個 PAFC 裝置成本的 42 %～45%，因此降低它的製造成本非常關鍵。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，則待開發電池部件的大批量、大型化製造技術以及氣室分隔板與電極基板組合的技術。

磷酸燃料電池用於發電廠

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

磷酸燃料電池用於現場發電

現場(集中)發電(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 的最佳套用方案。這種方案的優點是：可根據需要設定裝機容量或調整發電負荷，卻不會影響裝置的發電效率，既使小容量QAFC裝置也能達到相當於現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，開創了一條建設符合環保和節能要求的獨立電源系統新方案。

對發展我國磷酸燃料電池的建議

新一輪燃料電池研究熱潮已經到來，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、歐洲等已開發國家外，許多開發中國家也採取引進、消化等方式，積極發展本國 PAFC 技術。我國是一個人口眾多的開發中國家，面臨著十分嚴峻的資源和環保問題。大力發展能量利用率高，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) 國家應該儘快設立 PAFC 開發研究計畫，給予足夠資金投入，支持 PAFC 基礎和套用研究。縱觀所有已進行開發國家，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，並積極引進國外先進 PAFC 裝置，以積累操作、維護經驗。韓國、義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 技術上處於領先地位，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) 組織各部門分工協作，爭取及早製造出國產 PAFC裝置。由於 PAFC 技術複雜，可由化工、機械、電工、研究單位分別負責天然氣轉化制氫、設備製造、交直流轉換、電池本體製作安裝。我國於 1997 年成立了在中國電工技術學會領導下的氫能發電裝置專業委員會，這為組織研製開發 PAFC工作創造了有利條件。

主要特點

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，它們也擁有許多優點，例如構造簡單，穩定，電解質揮發度低等。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正在運行，不過這種電池似乎將來也不會用於私人車輛。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套用，已有許多發電能力為0.2 – 20 MW的工作裝置被安裝在世界各地，為醫院，學校和小型電站提供動力。

它採用磷酸為電解質，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，與鹼性氫氧燃料電池相比，最大的優點是它不需要CO₂處理設備。磷酸型燃料電池已成為發展最快的，也是最成熟的燃料電池，它代表了燃料電池的主要發展方向。

工作原理

如下圖所示，電池中採用的是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。

PAFC燃料電池基本結構

負極反應：

H₂→ 2+ 2e^-

正極反應：

O₂+ 4+ 4e^-→ 2H₂O

總反應：

O₂+ 2H₂→ 2H₂O

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

發展套用

PAFC用於發電廠包括兩種情形：分散型發電廠，容量在10-20MW之間，安裝在配電站；中心電站型發電廠，容量在100MW以上，可以作為中等規模熱電廠。PAFC電廠比起一般電廠具有如下優點：即使在發電負荷比較低時，依然保持高的發電效率；由於採用模組結構，現場安裝簡單，省時，並且電廠擴容容易。

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

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示範裝置，富士電機在1997年3月完成了分散型5MW設備的運行研究。作為現場用設備已有50kW、100kW及500kW總計88種設備投入使用。