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磷酸型燃料電池
使用液體磷酸為電解質(zhì)的電池
基本信息
| 中文名 | 磷酸型燃料電池 |
| 外文名 | Phosphoric Acid Fuel Cell |
| 原料 | CH4氣體或生物氣體 |
| 工作溫度 | 150-200℃ |
| 學(xué)科 | 電力工程 |
| 領(lǐng)域 | 工程技術(shù) |
| 類型 | 燃料電池 |
收起
功能特點(diǎn)
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。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的動(dòng)力，而且有許多這樣的系統(tǒng)正在運(yùn)行，不過這種電池似乎將來也不會(huì)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于固定的應(yīng)用，已有許多發(fā)電能力為0.2–20MW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，現(xiàn)在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，也是目前最成熟的燃料電池，它代表了燃料電池的主要發(fā)展方向。
磷酸型燃料電池不僅在效率、環(huán)保特性等方面具有優(yōu)良的一面，而且在持久性、可信賴性方面也非常可靠。例如，現(xiàn)在日本民用產(chǎn)業(yè)用于50~20kw容量的成套設(shè)備，有10多臺(tái)在實(shí)際運(yùn)營中，其中13臺(tái)已提前達(dá)到商業(yè)化耐用性目標(biāo)，累計(jì)運(yùn)行超過4萬小時(shí)。磷酸型燃料電池現(xiàn)已用于商業(yè)階段，在不久的將來可以說是我們常見的燃料電池。此外，燃料電池發(fā)電設(shè)備的制造成本也比開發(fā)階段明顯減少，如果條件完備能夠理想運(yùn)行的話，在燃料電池發(fā)電設(shè)備的產(chǎn)品壽命之內(nèi)，就可把投資全部收回。
但是，為在今后能真正達(dá)到普及，大致在2個(gè)方向上推進(jìn)是比較重要的。其一：要批量生產(chǎn)以便促進(jìn)成本降低;另一個(gè)是：活用燃料電池的特性，利用它新創(chuàng)造的附加值，促進(jìn)它把新的用途引入市場。
工作原理
磷酸燃料電池是一種將氫氣(燃料氣體)和氧氣(空氣)反應(yīng)時(shí)的化學(xué)能直接、連續(xù)地轉(zhuǎn)換成電能的電化學(xué)裝置。在該電池裝置中，氫氣和氧氣分別輸送陽極和陰極，在電極、電解質(zhì)和反應(yīng)氣體之間建立的三相界面處分別進(jìn)行氧化、還原反應(yīng)。
陽極：
H→2+2e
陰極：
O+4+4e→2HO
總反應(yīng)：
O+2H→2HO
電極通過電解質(zhì)和外電路形成導(dǎo)電回路。因此，電極除具備較大的電子導(dǎo)電能力外，還具備多孔性以利于氣體擴(kuò)散，而電解質(zhì)除具有較大的離子導(dǎo)電能力和較低的電子導(dǎo)電能力外，還應(yīng)是一個(gè)良好的物理隔離層。反應(yīng)氣體在燃料電池的裝置中可直接和連續(xù)地化學(xué)反應(yīng)的自由焓改變轉(zhuǎn)換成直流電能，而且能量轉(zhuǎn)換的理論效率為83%（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），其次，磷酸燃料電池的產(chǎn)物為潔凈水，因而不會(huì)污染大氣，危害生態(tài)環(huán)境。
用途開發(fā)
燃料電池本來是以氫氣為燃料發(fā)電的裝置。但在氫燃料供給設(shè)備不完備的情況下，可以把市場上的城市煤氣（沼氣）或液化煤氣等經(jīng)改性器轉(zhuǎn)換成氫氣用于發(fā)電。代替這些燃料的是把現(xiàn)尚未被利用的、被舍棄的食品廢水，下水污泥等凈化后得到沼氣，或是把工業(yè)廢棄物作為能源重新加以利用，就會(huì)形成一個(gè)在環(huán)境改善、節(jié)省資源、經(jīng)濟(jì)性等多方面有效的系統(tǒng)。
甲烷發(fā)酵氣的應(yīng)用
我們把食品廢水、生活垃圾、下水道污泥等經(jīng)厭氧處理后，所產(chǎn)生的甲烷發(fā)酵氣稱為消化氣體或稱生物氣體。60%一70%的甲烷氣體和二氧化碳?xì)怏w混合，使其成為低位發(fā)熱量（22一25MJ//N）的氣體，由于條件不同它的發(fā)熱量也會(huì)改變。從這些生物氣體燃料的穩(wěn)定性、排氣性來看，通常用于鍋爐或發(fā)熱裝置是很難充分利用的，但是通過化學(xué)反應(yīng)用于燃料電池的發(fā)電是比較容易的。
可依賴性高的電源
燃料電池發(fā)電設(shè)備，是用變流器控制，把從電池得到的直流電變成交流電的一種方式，從而使得與系統(tǒng)同期。可容易并快速得到從聯(lián)系系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)到獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)或從獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)到聯(lián)立系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行切換。本系統(tǒng)活用這一特性，使得電源系統(tǒng)提供給重要負(fù)荷連續(xù)的電力。
把從燃料電池發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備得到的直流電借助于變流器，轉(zhuǎn)換成交流電。一方面，為電力系統(tǒng)及與這一系統(tǒng)連接的一般負(fù)荷提供電力。另一方面，也為重要負(fù)荷連續(xù)提供電力。如果系統(tǒng)中某處發(fā)生異常，高速開關(guān)可以在短時(shí)間內(nèi)從聯(lián)系系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)切換到獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，繼續(xù)給重要負(fù)荷提供電力。另外，萬一燃料電池停止的話，也可以通過備用設(shè)備不間斷地提供給系統(tǒng)到負(fù)荷的電力。
高品質(zhì)可信賴電力系統(tǒng)
上述的可信賴的電源系統(tǒng)附加了通過燃料電池發(fā)電設(shè)備的變流器控制一定電壓、一定頻率的高質(zhì)量電力供給功能和無間斷切換功能`。以往為了確保給重要負(fù)荷供給穩(wěn)定電源，采用了USP（無停電電源裝置）與用于長時(shí)間的電力供給緊急用的發(fā)電機(jī)相配合的電源供電系統(tǒng)。與其具有同等機(jī)能，并且運(yùn)行成本與以往的UPS相比，它作為有利的電源供給系統(tǒng)，開發(fā)出如圖1所示的高品質(zhì)、可信賴的電力供給系統(tǒng)。
簡介
雖然相對(duì)于其它類型的燃料電池 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(xiàng)非常重要的措施。PAFC 在中國還沒有引起重視，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(xiàng)目研究和開發(fā)。在美國，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)部門在 1985～1989 年投入到 PAFC 研究開發(fā)經(jīng)費(fèi)高達(dá) 1. 22 億美元。日本政府部門在 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)灣等國家和地區(qū)也紛紛組織 PAFC 的研究開發(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(shù)上處于世界領(lǐng)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(yàn)，以取得運(yùn)行和維護(hù)方面的經(jīng)驗(yàn)。
進(jìn)展
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(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(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 長期運(yùn)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(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)。
用于發(fā)電廠
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(jī)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(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)場安裝，簡單、省時(shí)，并且電廠擴(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 %。
用于現(xiàn)場發(fā)電
現(xiàn)場(集中)發(fā)電(cogeneration)指把 PAFC 直接安裝在用戶附近，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(yàn)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)了一一套設(shè)符合環(huán)保和節(jié)能要求的獨(dú)立電源系統(tǒng)新方案。
建議
新一輪燃料電池研究熱潮已經(jīng)到來，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)廣闊市場前景，除日本、美國、歐洲等發(fā)達(dá)國家外，許多發(fā)展中國家也采取引進(jìn)、消化等方式，積極發(fā)展本國 PAFC 技術(shù)。中國是一個(gè)人口眾多的發(fā)展中國家，面臨著十分嚴(yán)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(zhì)排放量極少的 PAFC 技術(shù)，就顯得非常必要。因此建議：
(1) 國家應(yīng)該盡快設(shè)立 PAFC 開發(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。縱觀所有已進(jìn)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(qiáng)國際交流合作，并積極引進(jìn)國外先進(jìn) PAFC 裝置，以積累操作、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。韓國、意大利等國家就是通過引進(jìn) PAFC 裝置，在較短時(shí)間內(nèi)掌握了此項(xiàng)技術(shù)。美國和日本在PAFC 技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，它們既是競爭對(duì)手，同時(shí)又通過購買設(shè)備、組建合資公司等方式加強(qiáng)相互間合作。
(3) 組織各部門分工協(xié)作，爭取及早制造出國產(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。中國于 1997 年成立了在中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下的氫能發(fā)電裝置專業(yè)委員會(huì)，這為組織研制開發(fā) PAFC工作創(chuàng)造了有利條件。
發(fā)展應(yīng)用
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(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)場安裝簡單，省時(shí)，并且電廠擴(kuò)容容易。
受1973年世界性石油危機(jī)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(shù)由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）進(jìn)行開發(fā)。自1981年起，進(jìn)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(yuǎn)地區(qū)或商業(yè)用用地AFC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)場用設(shè)備已有50kW、100kW及500kW總計(jì)88種設(shè)備投入使用。
參考資料
[1]
磷酸燃料電池_百科_新能源網(wǎng) · 新能源網(wǎng)[引用日期2021-06-22]
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