磷酸燃料电池磷酸燃料电池的进展

燃料电池被称为继火电、水电、核电之后的第四种发电方式，应用前景十分广阔。然而作为一种新型发电技术 ，PAFC 要获得社会广泛认可和使用，需要进一步改进性能，降低制造成本。亟待解决的 PAFC 研究课题，概括来讲就是：

(1) 提高电池功率密度；

(2) 延长电池使用寿命，提高其运行可靠性；

(3) 进一步降低电池制造成本。电池比功率指单位面积电极的输出功率，它是燃料电池的一项重要指标。

提高电池功率密度不但有利于减少电池的质量和尺寸，而且可以降低电池造价。开发高活性催化剂，优化多孔气体电极结构，研制超薄的导热、导电性能良好的电极基体材料等都将改善电池的输出性能。在 PAFC 长期运行过程中，其输出性能不可避免要降低，特别是在操作温度比较高，电极电位也比较高的情况下，电池性能下降更快。为此，需要研究催化剂 Pt 微晶聚集长大以及催化剂载体腐蚀问题，开发保证电池温度分布均匀的冷却方式，以及寻找避免电池在低的用电负荷或空载时出现较高电极电位的方法。由于电池本体占整个 PAFC 装置成本的 42 %～45%，因此降低它的制造成本非常关键。在电池性能方面，提高电池功率密度，简化电池结构都是非常有效的措施。在电池加工方面，则待开发电池部件的大批量、大型化制造技术以及气室分隔板与电极基板组合的技术 。

虽然相对于其它类型的燃料电池 PAFC 在技术上已经比较成熟，但仍然面临一些亟待解决的课题 ———须进一步提高电池比功率，延长使用寿命，降低制造成本等，而开发活性高、稳定性好的新的电极催化剂是解决上述问题的一项非常重要的措施。PAFC 在我国还没有引起重视，磷酸燃料电池 ( PAFC) 自从 60 年代在美国开始研究以来，越来越广泛地受到人们重视，许多国家投入大量资金用于支持项目研究和开发。在美国，能源部 (DOE) 、电力研究协会( EPRI) 以及气体研究协会( GRI) 三个部门在 1985～1989 年投入到 PAFC 研究开发经费高达 1. 22 亿美元。日本政府部门在 1981～1990 年用于 PAFC 的费用也达到1.15亿美元。意大利、南朝鲜、印度、台湾等国家和地区也纷纷组织 PAFC 的研究开发计划。世界上许多著名公司，如东芝、富士电机、西屋电气、三菱、三洋以及日立等公司都参与了 PAFC 的开发与制造工作。由美国国际燃料电池公司( IFC) 与日本东芝公司联合组建的 ONSI 公司在PAFC 技术上处于世界领先地位。以美国和日本的一些煤气公司和电力公司为主，许多公司一直在参与 PAFC 的示范和论证试验，以取得运行和维护方面的经验。

PAFC 用于发电厂包括两种情形：分散型发电厂，容量在 10～20 MW 之间，安装在配电分站；中心电站型发电厂，装机容量在100MW 以上，可以作为中等规模热电厂。PAFC 电厂比起一般发电厂具有如下优点：即使在发电负荷较低时，依然保持高的发电效率；由于采用模板结构，现场安装，简单、省时，并且电厂扩容容易。1991年，东芝与 IFC 联合为东京电力公司建成了世界上最大的11 MW PAFC装置。该装置发电效率达41.1%，能量利用率为72.7 %。

现场(集中)发电(cogeneration)指把 PAFC 直接安装在用户附近，同时提供热和电。这被认为是 PAFC 的最佳应用方案。这种方案的优点是：可根据需要设置装机容量或调整发电负荷，却不会影响装置的发电效率，既使小容量QAFC装置也能达到相当于现代大型热电厂的效率；有效利用电和热，传输损失小。1993年9月，大坂煤气公司在大坂建造了未来型试验住宅 NECT21。该住宅以100kWPAFC作为主要电源，屋顶辅以太阳能电池，开创了一条建设符合环保和节能要求的独立电源系统新方案。

新一轮燃料电池研究热潮已经到来，有不少单位进行熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池( PEMFC)，以及直接甲醇燃料电池 (DMFC) 研究，然而至今惟有 PAFC 研究仍属空白。面对广阔市场前景，除日本、美国、欧洲等发达国家外，许多发展中国家也采取引进、消化等方式，积极发展本国 PAFC 技术。我国是一个人口众多的发展中国家，面临着十分严峻的资源和环保问题。大力发展能量利用率高，有害物质排放量极少的 PAFC 技术，就显得非常必要。因此建议：

(1) 国家应该尽快设立 PAFC 开发研究计划，给予足够资金投入，支持 PAFC 基础和应用研究。纵观所有已进行开发国家，毫无例外是在国家大力支持下开始起步的。

(2) 加强国际交流合作，并积极引进国外先进 PAFC 装置，以积累操作、维护经验。韩国、意大利等国家就是通过引进 PAFC 装置，在较短时间内掌握了此项技术。美国和日本在PAFC 技术上处于领先地位，它们既是竞争对手，同时又通过购买设备、组建合资公司等方式加强相互间合作。

(3) 组织各部门分工协作，争取及早制造出国产 PAFC装置。由于 PAFC 技术复杂，可由化工、机械、电工、研究单位分别负责天然气转化制氢、设备制造、交直流转换、电池本体制作安装。我国于 1997 年成立了在中国电工技术学会领导下的氢能发电装置专业委员会，这为组织研制开发 PAFC工作创造了有利条件 。

较高的工作温度也使其对杂质的耐受性较强，当其反应物中含有1-2%的一氧化碳和百万分之几的硫时，磷酸燃料电池照样可以工作。

磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为40%，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。虽然磷酸燃料电池具有上述缺点，它们也拥有许多优点，例如构造简单，稳定，电解质挥发度低等。磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力，而且有许多这样的系统正在运行，不过这种电池似乎将来也不会用于私人车辆。在过去的20多年中，大量的研究使得磷酸燃料电池能成功地用语固定的应用，已有许多发电能力为0.2 – 20 MW的工作装置被安装在世界各地，为医院，学校和小型电站提供动力。

它采用磷酸为电解质，利用廉价的炭材料为骨架。它除以氢气为燃料外，还有可能直接利用甲醇、天然气、城市煤气等低廉燃料，与碱性氢氧燃料电池相比，最大的优点是它不需要CO₂处理设备。磷酸型燃料电池已成为发展最快的，也是最成熟的燃料电池，它代表了燃料电池的主要发展方向。

如图《PAFC燃料电池基本结构》所示，电池中采用的是100%磷酸电解质，其常温下是固体，相变温度是42℃。氢气燃料被加入到阳极，在催化剂作用下被氧化成为质子，同时释放出两个自由电子。氢质子和磷酸结合成磷酸合质子，向正极移动。电子向正极运动，而水合质子通过磷酸电解质向阴极移动。因此，在正极上，电子、水合质子和氧气在催化剂的作用下生成水分子。具体的电极反应表达如下。

负极反应：

H₂→ 2

正极反应：

O₂ 4

总反应：

O₂ 2H₂→ 2H₂O

磷酸燃料电池一般工作在200℃左右，采用铂作为催化剂，效率达到40%以上。由于不受二氧化碳限制，磷酸燃料电池可以使用空气作为阴极反应气体，也可以采用重整气作为燃料，这使得它非常适合用作固定电站。

PAFC用于发电厂包括两种情形：分散型发电厂，容量在10-20MW之间，安装在配电站；中心电站型发电厂，容量在100MW以上，可以作为中等规模热电厂。PAFC电厂比起一般电厂具有如下优点：即使在发电负荷比较低时，依然保持高的发电效率；由于采用模块结构，现场安装简单，省时，并且电厂扩容容易。

受1973年世界性石油危机以及美国PAFC研发的影响，日本决定开发各种类型的燃料电池，PAFC作为大型节能发电技术由新能源产业技术开发机构（NEDO）进行开发。自1981年起，进行了100kW现场型PAFC发电装置的研究和开发。1986年又开展了200kW现场性发电装置的开发，以适用于边远地区或商业用的PAFC发电装置。

富士电机公司是日本最大的PAFC电池堆供应商。截至1992年，该公司已向国内外供应了17套PAFC示范装置，富士电机在1997年3月完成了分散型5MW设备的运行研究。作为现场用设备已有50kW、100kW及500kW总计88种设备投入使用 。

燃料电池通常是按构成的电解质来分类。开发最为盛行的有4种燃料电池。各种燃料电池，特别是其动作温度不相同，最先进行开发的磷酸型燃料电池（PAFC）约在200℃的温度下动作。相对于此，熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池均可应用在以石燃料为基本燃料的电厂内，可作为电力电源来利用。高温型燃料电池又可称之为是通过利用其高质量排气，来面向复合发电的燃料电池。

电池的活性物质为H₂(g)和O₂(g)；根据电解质性质的不同有酸性、碱性、熔融盐燃料电池；按使用温度有低温(75～100℃)、中温(100～500℃)、高温(500～1000℃)型燃料电池。例如离子交换膜低温酸性氢-氧燃料电池，正、负极为少量贵金属催化剂与导电金属网制成，将它们分别压于离子交换膜两侧，电解液为高浓度的磷酸，工作温度为40～60℃。又如低温碱性氢-氧燃料电池，负极为镍粉和铂、钯烧结而成，正极为有效面积很大的银电极，电解液为高浓度的KOH溶液，隔膜为石棉膜或钛酸钾膜，工作温度为80～90℃。高温固体电解质燃料电池，复合氧化物(ZrO₂)0.85(CaO)0.15、(ZrO₂)0.9(Y₂O₃)0.1，碳酸盐等为固体电解质，高温下它们的离子能够导电。将固体电解质制成短管，在其内外壁涂覆多孔的Pt作为正、负极。工作温度为1000℃。