磷酸型燃料电池的原理分析

磷酸型燃料电池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)是以磷酸为导电电解质的酸性燃料电池，依靠酸性电解液传导氢离子。PAFC被称为继火电，水电、核电之后的第四种发电方式，是目前使用最多的燃料电池之一，是最早成为商品的燃料电池技术。PAFC以天然气为燃料的11kW PAFC验证性电站已建成并投入运行。它的综合热效率可达到70%-80%。

【陆地方舟电动汽车网ddc.】采用PAFC 50-250kW的独立发电设备能够作为分散的发电站用于医院、旅馆等。许多医院、宾馆和军事基地使用磷酸燃料电池覆盖了部分或总体所需的电力和热供应。多半因其温度问题，使这一技术在车辆中的应用很少。实践已经证明了PAFC电站运行的可靠性。

PAFC的电池片由燃料极、电解质层、空气极构成。燃料极和空气极都是由基材及肋条板催化剂层所组成，是两块涂布有催化剂的多孔碳素板电极。电解质层是用来保持磷酸的，它是经浓磷酸浸泡的碳化硅系电解质保持板。

磷酸(H3P04)是一种黏滞液体，它在燃料电池中通过多孔硅碳化物基体内的毛细管作用予以储存。燃料中的氢原子在燃料极释放电子成为氢离子。氢离子通过电解质层，在空气极与氧离子发生反应生成水，其电极反应与PEMFC一样。将数枚单电池片进行叠加，为降低发电时内部的热量，每枚电池片中叠加进冷却板，输出功率稳定的基本电池堆就构成了。基本电池堆再加上用于上下固定的构件、供气用的集合管等构成PAFC的电池堆。电池堆的结构示意如图1所示。

PAFC的工作原理如图2所示。PAFC使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。当以氢气为燃料，氧气为氧化剂时，在电池内发生电化学反应，其电化学反应与PEMFC一样。

 

图1 PAFC的电池堆结构示意图

 

图2 PAFC的工作原理

阳极和阴极发生的电化学反应为

 

总的电化学反应为

 

PAFC与其他类型燃料电池相比，具有以下特点。

①PAFC与PEMFC及AFC不同的是不需要纯氢作燃料，具有构造简单、稳定、电解质挥发度低、应用了廉价的电解液，及其合理的启动时间等优点。目前，PAFC能成功地用于固定的应用，已有许多发电能力为0.2-20Mw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。

②PAFC的工作温度比PEMFC和AFC的略高，位于150～200℃。工作压力为0.3～0.8MPa，单电池的电压为0.65-0.75V。较高的工作温度使其对杂质的耐受性较强，当其反应物中含有1%～2%的CO和百万分之几的s时，PAFC可以正常工作。尽管PAFC的工作温度较高，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应．

③高运行温度（150℃以上）引起的另一问题是与燃料电池堆升温相伴随的能量损耗。每当燃料电池启动时，必须消耗一些能量（即燃料）在加热燃料电池直至其运行温度上；反之，每当燃料电池关闭时，相应的一些热量（即能量）也将被耗损。若应用于车辆上，由于市区内驾驶情况通常是短时运行，该损耗是显著的。然而，在公共交通运输情况下，对于公共汽车这一问题是次要的。即PAFC可用作公共汽车的动力，而且有许多这样的系统正在运行，不过这种电池很难用在轿车上。

④磷酸电解液的温度必须保持在42℃（磷酸冰点）以上。冻结的和再解冻的酸将难以使燃料电池堆激化。保持燃料电池堆在该温度之上，需要额外的设备，这就需增加成本、复杂性、重量和体积。就固定式应用而言是次要的，但对车辆应用来说是不相容的。

⑤PAFC的缺点是采用了昂贵的催化剂（铂）、酸性电解液的腐蚀性、二氧化碳的毒化和低效率．用贵金属白金作催化剂成本较高，如燃料气中CO含量过高，则催化剂容易毒化而失去催化活性。PAFC的效率比其他燃料电池低，约为40%，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。