磷酸燃料电池
磷酸型燃料电池
研究重点
（1）进一步提高电池比功率 （2）延长使用寿命 （3）降低制造成本
因此开发出活性高、稳定性好的新的 电极催化剂就成了解决上述问题的一项非 常重要的措施。
发展过程
磷酸燃料电池(PAFC)自从20世纪60年代在美国 开始研究以来，由于操作温度低，耐CO 中毒能 力强等特点，得到了优先发展，是目前技术成 熟、发展最快的燃料电池, 也是目前唯一实行 商业化的燃料电池。代表性的公司有美国的联 合技术公司(UTC)。1977年由美国9家电力公司 与UTC联合开发兆瓦级燃料电池，1983年后由 UTC派生的国际燃料电池公司(IFC)开始了200 KW 级PAFC成套设备的开发，在美国已建造了 1MW、4.5MW和7.5MW的PAFC电站。
对发展我国PAFC的建议
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，我们建议： （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，毫无例外是在国家的特点
(4)满负荷运行可达到40000h，电池的输出电压 的降低不大于10%,
(5)装置紧凑，检修空间小，维修困难。 (6) PAFC电站可使用各种气态或液态燃料，主
要是使用天然气或液化天然气，也可以使用液 化石油气、煤油、沼气等。 (7)降低造价与技术的改进、标准化和大规模生 产分不开。
德国大众目前正在技术中心以达到实用化水平 为目标进行研发。该公司今后打算在2019年前 后生产配备输出功率更高的HTFC系统的试验用 燃料电池车，并力争2020年前后投产 。
发展过程
我国对PAFC 的研究基本上还处于空白状 态。作为燃料电池家族中最先实行商业化 的磷酸燃料电池，在实用化过程中取得了 许多具有应用价值的技术, 包括电池材料、 结构、系统以及运行等方面。针对我国燃 料电池目前研究现状, 若能将磷酸燃料电 池上取得的技术进行掌握并借鉴到其它类 型的燃料电池上, 对我国在燃料电池电站 建设方面的发展可以说是具有极大的指导 作用。
磷酸燃料电池
磷酸燃料电池具有较高的能量密度和功率密度，能量转换效 率高，同时具有较低的温室气体排放和较长的使用寿命。
历史与发展
起源
磷酸燃料电池最早由美国科学 家R.A. Huggins于1950年代 发明，并在1960年代进行了
商业化应用。
发展历程
随着科技的不断进步，磷酸燃料 电池的制造工艺和性能得到了不 断提升，同时其应用领域也不断 扩大。
THANK YOU.
02
磷酸燃料电池的工作原理
反应原理
阴极反应
O2+4H+4e¯=2H2O
阳极反应
H3PO4+3H2O+8e¯=4H3O2H
磷酸燃料电池的部件
1 2
双极板
负责分配燃料和氧化剂，提供电流回路，同时 保持电池内的温度和压力。
电解质
磷酸电解质，维持电池内部的电化学反应。
催化剂
3
用于加速电化学反应，提高电池性能。
制造成本高
由于需要使用稀有金属和 精细制造技术，磷酸燃料 电池的制造成本较高。
技术挑战
提高能效
目前磷酸燃料电池的能效较低 ，需要进一步提高其能效以降
低能源消耗。
开发高效催化剂
催化剂是影响磷酸燃料电池性能 的关键因素之一，需要开发更高 效的催化剂以提高其性能。
优化系统设计
需要进一步优化系统设计，提高磷 酸燃料电池的可靠性和稳定性，以 满足不同应用场景的需求。
磷酸燃料电池可以作为 新能源汽车的动力源， 具有高能量密度、低噪 音、零排放等优点，能 够满足环保和节能的需 求。
磷酸燃料电池还可以作 为便携式电源，用于野 外、应急等场合的供电 需求，能够提供稳定可 靠的电能输出。
除了以上用途，磷酸燃 料电池还可以应用于船 舶、航空航天等领域， 具有广泛的应用前景。
磷酸型燃料电池
发展过程
我国对PAFC 的研究基本上还处于空白状 态。作为燃料电池家族中最先实行商业化 的磷酸燃料电池，在实用化过程中取得了 许多具有应用价值的技术, 包括电池材料、 结构、系统以及运行等方面。针对我国燃 料电池目前研究现状, 若能将磷酸燃料电 池上取得的技术进行掌握并借鉴到其它类 型的燃料电池上, 对我国在燃料电池电站 建设方面的发展可以说是具有极大的指导 作用。
三、在车辆上的应用
目前这方面主要是以PAFC作为基本动力 电源，配备蓄电池以满足车辆启动和爬坡 时峰值用电要求。 在1994年于美国圣第哥举行的第14届燃 料电池会议期间，美国能源公司展示了第 一台以甲醇为燃料PAFC做动力的公交车。
四、小容量可移动电源
PAFC可以用作通讯、紧急供电、娱 乐车等的电源。与通常的柴油发电机相比， PAFC作为军事上的通讯电源，其诱人之 处在于运行时噪音低和热辐射量极少，有 利于隐蔽目标。
五、其他
许多石油化工厂，如炼油厂、氯碱厂、合 成氨厂等，经常排放大量富氢气体。在现 场安装PAFC装置，就可以把排放气体中 的氢转化成电能，或者从中分离出纯氢气 体，从而减少资源浪费。
应用前景
从节省资源、减少CO2 排放等观点来看,磷酸燃 料电池是非常有效的热电联产设备,通过与污水 处理厂、食品工业等的沼气发酵技术部门进行 合作,在为构筑资源循环型社会的对策等方面的 进展也令人鼓舞。今后,将通过进一步降低成本 来提高其经济性,并通过不仅仅局限于城市燃气, 而且扩大到对生物气体等的循环型社会的多样 化燃料的适用范围,为磷酸型燃料电池的推广普 及而积极努力。
磷酸燃料电池的基本组成和反应原理
磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是： 燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改 质器，把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物， CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成 H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料 堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的 正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作 用迅速产生电能和热能。
2023年磷酸燃料电池行业市场研究报告
2023年磷酸燃料电池行业市场研究报告磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，简称PAFC）作为一种高效、清洁、可再生的能源技术，已经在许多领域得到了广泛的应用。
本篇文章将对磷酸燃料电池行业的市场状况进行研究，并对其发展趋势进行分析。
目前，磷酸燃料电池行业的市场规模逐年扩大。
据统计，2019年磷酸燃料电池的全球市场规模达到了10亿美元，预计到2025年将增长至20亿美元。
磷酸燃料电池在储能、电动汽车、电网等领域具有广泛的应用前景，成为新能源领域的热门技术。
磷酸燃料电池的优势主要体现在以下几个方面。
首先，磷酸燃料电池具有高效率和高能量密度的特点，可在较小的体积内提供更多的能量输出。
其次，磷酸燃料电池的运行温度相对较低，通常在150℃左右，降低了对材料的要求和安全性的风险。
此外，磷酸燃料电池的稳定性和寿命也得到了显著改善，能够满足工业生产和商业应用的需求。
然而，磷酸燃料电池行业也面临着一些挑战。
首先，磷酸燃料电池的成本仍然较高，制约了其在大规模应用中的竞争力。
其次，磷酸燃料电池的储氢问题需要进一步解决，提高氢气的贮存密度和释放速度。
此外，磷酸燃料电池的系统集成和应用需求也有待进一步完善。
对于磷酸燃料电池行业的未来发展，我们可以从以下几个方面进行预测。
首先，随着新能源政策的推动和环境意识的增强，磷酸燃料电池的市场需求将继续增长。
其次，磷酸燃料电池技术将不断改进，成本将逐步降低，提高了其在商业应用中的竞争力。
此外，磷酸燃料电池与其他能源技术的融合应用也将成为未来的趋势。
总体而言，磷酸燃料电池行业在全球范围内具有广阔的市场前景和发展潜力。
通过技术创新和市场拓展，磷酸燃料电池有望成为未来能源领域的重要组成部分，为可持续发展做出重要贡献。
磷酸盐型离子膜燃料电池的研究与应用
磷酸盐型离子膜燃料电池的研究与应用燃料电池作为目前可持续性较好的能源，其应用也日渐广泛。
特别是离子膜燃料电池中的磷酸盐型离子膜，由于具有高稳定性和较低的渗透率，已成为该领域的新兴研究方向。
本文将介绍磷酸盐型离子膜燃料电池的基本原理、相关研究进展及应用前景。
一、离子膜燃料电池的基本原理离子膜燃料电池是将氢气和氧气在电化学反应中直接转化为电能，并以离子膜作为传输载体，回收反应出水和空气污染物二氧化碳的新型能源装置。
其基本组成包括阴极、阳极、电解质膜以及负载电路等。
在整个反应过程中，氢气在阴极被电化学还原，形成阳离子H+和电子e-，其中电子经过外电路流到阳极。
而在阳极处，氧气被电化学氧化成为阴离子O2-，与离子膜中的H+结合后生成水，同时碳源（例如CO、CO2等）也被电化学氧化，最终在负载电路中释放出电能。
二、磷酸盐型离子膜的特点及其应用磷酸盐型离子膜的主要特点是其在反应过程中具有较低的渗透率和较高的稳定性。
与传统的类酸型离子膜相比，磷酸盐型离子膜可以有效防止阳极侧水的积聚和离子膜的破损，从而提高电池的运行效率和寿命。
此外，磷酸盐型离子膜也可以在较高的温度下工作，扩大了其应用范围。
在实际应用中，磷酸盐型离子膜主要用于燃料电池的制造。
例如，磷酸盐型离子膜燃料电池已被广泛应用于汽车和家庭中的电力供应等领域。
磷酸盐型离子膜电极材料的不断改进和降低成本使得其在未来的商业应用中的推广成为可能。
此外，在环保产业中，磷酸盐型离子膜还可以用于水处理等方面的应用，减少了重金属等有害物质的排放。
三、磷酸盐型离子膜燃料电池的发展和趋势随着燃料电池技术的不断成熟，磷酸盐型离子膜燃料电池的研究也日益深入。
目前，国内外学者已经开展了多方面的研究，包括材料合成、性能测试、结构优化和应用开发等方面。
其中，磷酸盐型离子膜的结构和性能的优化是研究的重点之一。
通过优化离子膜的结构和性能，可以提高燃料电池的效率和稳定性。
例如，一些学者通过改变电解质膜厚度、材料性质等方面，提高了离子膜的质量和使用寿命，从而提高了燃料电池的电化学性能。
磷酸型燃料电池市场分析报告
磷酸型燃料电池市场分析报告1.引言1.1 概述磷酸型燃料电池是一种新型的燃料电池技术，具有高效能、低排放和可再生的特点，被广泛应用于交通工具和工业领域。
本报告旨在对磷酸型燃料电池市场进行深入分析，以全面了解其市场现状和未来发展趋势，为相关行业的决策者提供参考和指导。
本报告将从磷酸型燃料电池的介绍、市场现状分析和市场趋势预测三个方面展开讨论，结合实际数据和案例，对磷酸型燃料电池市场进行全面、客观的评估。
1.2文章结构文章结构部分内容如下："1.2 文章结构本报告将分为三个主要部分，分别是引言、正文和结论。
在引言部分，将对磷酸型燃料电池进行概述，并介绍本报告的目的和结构。
在正文部分，将分别介绍磷酸型燃料电池的基本原理及应用，对市场现状进行详细分析，并预测未来的市场趋势。
最后，在结论部分，将展望磷酸型燃料电池的市场前景，并提出发展建议，对全文进行总结。
"1.3 总结总结部分:在本报告中，我们对磷酸型燃料电池市场进行了深入分析和研究。
通过对磷酸型燃料电池的介绍、市场现状分析以及趋势预测，我们对市场的发展趋势有了更清晰的认识。
同时，我们也对磷酸型燃料电池市场的前景展望进行了讨论，并提出了相应的发展建议。
通过本报告的撰写，我们希望为相关从业人员、投资者和其他利益相关者提供有益的信息和洞察，帮助他们更好地了解磷酸型燃料电池市场，并做出更明智的决策。
我们对磷酸型燃料电池市场的发展充满信心，相信随着技术的不断进步和市场需求的增长，磷酸型燃料电池将会迎来更广阔的发展空间。
总的来说，我们对磷酸型燃料电池市场的未来充满期待，同时也意识到在发展过程中所面临的挑战和机遇。
我们将继续关注市场动态，不断调整策略，为磷酸型燃料电池市场的健康发展贡献力量。
1.3 目的目的部分内容：本报告旨在对磷酸型燃料电池市场进行深入分析，详细介绍磷酸型燃料电池的特点和应用领域，全面了解市场现状及未来发展趋势。
通过研究市场规模、增长率、竞争格局等方面的数据，分析市场的潜在机会和挑战。
磷酸燃料电池2讲课文档
和无人潜艇提供动力。
第十二页，共42页。
型。运用不同车辆和使用不同地区的试验进展顺利，用质子交换膜燃料电池为公共汽车提供动力的
试验已在温哥华和芝加哥取得成功。德国的城市也进行了类似的试验，明后二年（2002-2003），
还有另外十个欧洲城市也将在公共汽车上进行试验，伦敦和加利福尼亚也将计划在小型车辆上进行 试验。
❖ 在生产商能够有效地，大规模地生产质子交换膜燃料电池之前，需要解决的主要问题包 括生产成本，燃料质量，以及电池的体积。但愿技术的进一步发展和扩大生产的共同作 用将会运用经济的规模性而降低生产成本。目前，人们也在对直接使用甲醇为燃料和从 环境空气中取得氧的另一解决方案进行研究，它也可以避免燃料的重整过程。
第十六页，共42页。
6、运输上的应用 ❖ 以内燃机提供动力的汽车已成为有害气体排放的主要排放源，在世界各个国家和地方机构都在
立法强迫汽车制造商生产能极大限度地降低排放的车辆，燃料电池可为这种要求带来实质的机
遇。位于Alberta的Pembina适当设计研究所指出：当一辆小车使用以天然气重整的氢为 燃料的燃料电池，其二氧化碳的排放量可以减少高达72%。，驱动车辆的燃料电池必须能
第十七页，共42页。
❖ 燃料电池必须同时要满足以下功能：①物质、能量平衡，从电 池外部提供的燃料和氧化剂（空气），在发电的同时连续地排 出生成水合二氧化碳等气体，即所谓的物质移动-供给功能；② 燃料电池的基本结构，为了防止易燃、易爆有危险的燃料和氧化 剂混合、泄露，应有分离、密封功能，为了分离燃料和氧化剂两 种物料，需要有隔离机能，平板型、圆筒型电池和电堆的结构具 有这种功能；③电连接，各电池在低损失时应有连接已发生电力 的输出功能和燃料电池的直流电转变成交流电的功能；④热平衡， 为了保持燃料电池一定温度，需要具有温度控制和冷却功能以及 利用联合发电的排热功能；⑤适用的燃料，在燃料电池的电极反 应上，供给的燃料能变换成富氢气燃料的改质功能；⑥最优化， 为使气态燃料和氧化剂发生很好的电极反应，电极应有一定功能。 保持良好电池特性的三相界面的多孔质电极结构和催化剂、温度、 压力影响以及电池内浓度变化和电池特性的最佳化。
磷酸型燃料电池
contents
目录
• 燃料电池概述 • 磷酸型燃料电池结构与组成 • 磷酸型燃料电池工作原理及性能参数 • 磷酸型燃料电池制备工艺及优化方法 • 磷酸型燃料电池应用领域与市场前景 • 实验设计与数据分析方法
01 燃料电池概述
燃料电池定义与原理
燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能 的发电装置。其基本原理是电化学反应，通过燃料在阳极的 氧化和氧化剂在阴极的还原，产生电子流动从而形成电流。
• 提高电池温度：适当提高电池的工作温度，有利于提高电解质的质子传导效率 和电极的催化活性，从而提高电池性能。然而，过高的温度可能导致电池材料 的热稳定性和机械性能下降，因此需要权衡温度对电池性能的影响。
• 优化电池管理系统：通过改进电池管理系统的控制策略、提高系统的能量转换 效率等方式，优化电池的运行状态，延长电池的使用寿命并提高性能。例如， 可以采用先进的控制算法对电池进行充放电管理，避免过度充放电对电池造成 损害。
不同于传统电池，燃料电池的燃料和氧化剂并非预先存储于 电池内部，而是由外部供给，因此理论上只要不断供给燃料 和氧化剂，燃料电池就能持续发电。
燃料电池分类及应用领域
根据电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC）、 磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、 固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池 （PEMFC）等。
工作原理介绍
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电解质
采用磷酸作为电解质，利用其在高温下的离子导 电性。
电极反应
在阳极，燃料（如氢气）发生氧化反应，释放出 电子；在阴极，氧化剂（如氧气）接受电子发生 还原反应。
离子传导
磷酸中的氢离子在电极间传导，形成电流。
《磷酸型燃料电池》课件
欢迎来到《磷酸型燃料电池》PPT课件！在本课程中，我们将深入探讨磷酸型 燃料电池的基本概念和原理，并研究其优势、应用以及实验过程。
磷酸型燃料电池
燃料电池的定义及功能 磷酸型燃料电池的种类及工作原理
பைடு நூலகம்
磷酸型燃料电池的优势和应用
磷酸型燃料电池的优点和局限性 磷酸型燃料电池的应用领域及前景
磷酸型燃料电池的实验和实现
磷酸型燃料电池的实验过程及技术要点 磷酸型燃料电池的实现和展望
总结
磷酸型燃料电池的前景和意义 磷酸型燃料电池的进一步研究和应用的展望 备注：本PPT课件的内容可能存在局限性，仅供参考学习使用。
磷酸燃料电池
由于其结构较为复杂，需要更多的组件和密封件 。
需要维护
由于其结构复杂，因此需要更多的维护和保养， 制造成本也相对较高。
多极型磷酸燃料电池
01
02
03
高能量密度
多极型磷酸燃料电池具有 很高的能量密度和功率输 出。
复杂结构
由于其结构非常复杂，制 造成本较高，需要更多的 维护和保养。
需要高性能密封件
2000年代至今
磷酸燃料电池技术得到了广泛应用和发展，逐 渐成为商业化应用的理想选择。
应用领域
电力领域
01
作为分布式能源站，为工业企业和居民小区提供电力，也可作
为移动电源车应用在应急供电领域。
交通领域
02
作为车载电源和城市轻轨、列车等交通工具的牵引电源，为车
辆提供动力。
国防领域
03
作为移动电源和应急电源，为国防装备提供可靠的能源保障。
特点
磷酸燃料电池具有较高的能量密度和功率密度，能够直接使 用氢气作为燃料，并且其电解质具有较高的电导率和稳定性 。
发展历程
1 2 3
1960年代
磷酸燃料电池的雏形出现，但因为其性能较低 且稳定性差，无法得到广泛应用。
1980年代
随着材料科学和电化学技术的不断进步，磷酸 燃料电池的性能得到了显著提升，并且开始进 入商业化应用阶段。
各领域企业将加强合作，实现资源共 享和优势互补，共同推动产业发展。
要点三
市场拓展
随着应用领域的不断拓展，磷酸燃料 电池市场规模将持续扩大，产业发展 前景广阔。
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测试环境要求
测试过程中需要注意环境因素，如温度和湿度等，以保证测试结 果的准确性和可靠性。
燃料电池三大技术路线
燃料电池三大技术路线
燃料电池技术主要包括三大技术路线：碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。
1. 碱性燃料电池（AFC）：碱性燃料电池使用氢气和氧气作为燃料，电化学反应发生在碱性电解质溶液中。
该技术路线具有高效率、高能量密度和较长寿命的特点。
然而，由于其碱性条件和液态电解质的使用，碱性燃料电池需要使用贵金属催化剂，成本较高且对碱性条件敏感。
2. 磷酸燃料电池（PAFC）：磷酸燃料电池是利用磷酸作为电
解质的一种燃料电池技术。
磷酸燃料电池的优点是具有较高的能量转换效率，较大的功率密度和较长的寿命。
然而，磷酸燃料电池操作温度较高，需要使用贵金属催化剂，且对磷酸电解质的稳定性要求较高。
3. 固体氧化物燃料电池（SOFC）：固体氧化物燃料电池是使
用固态氧化物作为电解质的一种燃料电池技术。
固体氧化物燃料电池具有高效率、高能量密度和良好的燃料灵活性等优点。
此外，固体氧化物燃料电池的操作温度较高，可以直接利用多种燃料，适用于多种应用场景。
然而，固体氧化物燃料电池存在材料选择和稳定性等技术挑战。
磷酸燃料电池
磷酸燃料电池张展 U201110226 物实1101—以下摘录自计算机网络磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC ）以磷酸为电解质，以贵金属（通常为白金）作为电极来加速气体反应。
工作温度通常在150～220℃工作，磷酸燃料电池效率要比其它燃料电池低，约为40% 。
磷酸燃料电池工作原理本质是氧化还原反应，以氢气—氧气反应为例阳极半反应：阴极半反应： 总反应：反应示意图2H 2 2e H +-→+221222O H e H O+-++→22212H O H O +→与碱性燃料电池的比较优点：对 的承受力强是PAFC 的优点。
阳极通以富氢并含有 的重整气体。
缺点:一、在酸性电池中，氧的电化学还原速度比碱性电池中低得多。
为了减少阴极极化、提高氧的电化学还原速度，不仅须采用贵金属(如白金)作电催化剂，而且反应温度需提高。
二、酸的腐蚀性比碱强得多，除贵金属与乙炔炭黑外，现已开发的各种金属与合金材料(如钢)在酸性介质中均发生严重的腐蚀。
二、PAFC 材料电极材料：电极材料包括载体材料和电催化剂材料。
催化剂附着于载体表面，载体材料要求导电性能好、比表面积高、耐腐蚀和低密度。
PAFC 采用Pt/C 电催化剂，其技术关键为在高比表面积的炭黑上担载纳米级高分散的Pt 微晶。
铂源一般采用氯铂酸，按制备路线可分为两类不同方法：一是先将氯铂酸转化为铂的络合物，再由铂的络合物制备高分散Pt ／C 电催化剂；二是从氯铂酸的水溶液出发，采用特定的方法制备纳米级高（1）分散的Pt/C 电催化剂。
活性电催化剂铂是担载在碳材料上的，碳材料在PAFC 工作条件下是相对稳定的。
作为电催化剂的载体，必须具有高的化学与电化学稳定性、良好的电导、适宜的孔分布、高的比表面积以及低的杂质含2CO 2CO量。
在各种碳材料中，仅有无定形的炭黑具有上述性能。
目前广泛使用的用作Pt/C电催化剂载体的炭黑是Cabot公司由石油生产的导电型电炉黑Vulcan XC-72。
氢燃料电池的分类
燃料电池可以根据不同的分类标准进行分类。
以下是一些常见的氢燃料电池分类：
基于电解质类型的分类：
质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）：使用质子交换膜作为电解质。
碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，简称AFC）：使用碱性溶液作为电解质。
磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，简称PAFC）：使用磷酸溶液作为电解质。
高温燃料电池（High-Temperature Fuel Cell）：使用固体氧化物或熔融碳酸盐作为电解质。
基于工作温度的分类：
低温燃料电池（Low-Temperature Fuel Cell）：工作温度一般在80-120°C范围内，如PEMFC、AFC等。
中温燃料电池（Medium-Temperature Fuel Cell）：工作温度一般在200-400°C范围内，如PAFC。
高温燃料电池（High-Temperature Fuel Cell）：工作温度一般在500-1000°C范围内，
如固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）。
基于燃料供应方式的分类：
直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC）：直接使用甲醇作为燃料，无需对甲醇进行重整反应。
氨燃料电池（Ammonia Fuel Cell）：使用氨气作为燃料，通常在固体氧化物燃料电池中应用。
磷酸燃料电池的缺点
磷酸燃料电池的缺点
1. 需要高成本的催化剂：磷酸燃料电池需要使用昂贵的铂等催化剂来促进反应，这导致了磷酸燃料电池的成本变得高昂。
2. 磷酸的腐蚀性：磷酸燃料电池使用的电解质液体磷酸具有一定的腐蚀性，对电池的耐久性和可靠性会产生影响。
3. 长时间的启动时间：与其他燃料电池相比，磷酸燃料电池在启动之前需要更长的时间来达到最佳效能。
4. 储存磷酸的安全难题：磷酸需要在高纯度和严格控制的条件下存储，如果不正确处理，可能造成安全隐患。
5. 对环境的影响：磷酸燃料电池的制造和运行过程会产生大量的废气和废水，这对环境造成影响。
试简述五大类燃料电池的工作原理和各自的特点
三、试简述五大类燃料电池的工作原理和各自的特点燃料电池按燃料电解质的类型来分类的，可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PENFC)五大类。
3.1 碱性燃料电池（AFC）碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。
3.1.1原理使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基（OH）从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。
这些电子是用来为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。
负极反应：2H2 + 4OH-→ 4H2O + 4e-正极反应：O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-碱性燃料电池的工作温度大约80℃。
因此，它们的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。
不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。
如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常敏感。
此外，其原料不能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。
3.1.2 特点低温性能好，温度范围宽，并且可以在较宽温度范围内选择催化剂，但是才用的碱性电解质易受CO2的毒化作用因此必须要严格出去CO2，成本就偏高。
3.2 磷酸燃料电池（PAFC）磷酸燃料电池（PAFC）是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。
正如其名字所示，这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。
磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150 - 200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。
其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。
第五章燃料电池之磷酸燃料电池-3
电极与隔板必须具有良好的导电性、耐腐蚀性 和较长的寿命。 根据电极与隔板的结构形式， PAFC 单电池分 为槽形电极型与槽形隔板型。
中南大学冶金科学与工程学院 中南大学冶金科学与工程学院
典型PAFC结构图 (a)槽形电极型，(b)槽形隔板型
中南大学冶金科学与工程学院 中南大学冶金科学与工程学院
2)电池堆构造 : PAFC单电池的电压特性为 0.7v (当i＝200mmA/cm2时)。为了提高电池工作电压， 获得较高功率，必须将单电池层层叠加组成 PAFC电池堆。 PAFC电池堆包括电极 (燃料极与 空气极 ) 、含磷酸的电解质层、集流 — 隔板、冷 却板、各种类型物料管及其他辅助元件等关键部 件。 在 PAF 电池堆中，每隔 5-7 个单电池就设置一 块冷却板。通常 1 个电池堆可以组成 500-800kw 级发电装置，对于容量更大的电站系统，则由数 组电池堆组合而成。
中南大学冶金科学与工程学院 中南大学冶金科学与工程学院
电极结构与制备工艺
1）电极结构 PAFC采用的电极与AFC一样，均属多孔气体扩散电极。为提 高铂的利用率、降低铂载量，开发了PAFC专用电极。该电极分 为三层： 第一层：疏水碳纸 通常称支撑层 浸入40%~50%的聚四 氟乙烯乳液后，孔隙率降至60%左右，平均孔径为12.5m。支撑 层的厚度为0.2~0.4mm，它的作用是支撑催化层，同时起收集和 传导电流的作用。
燃料气组成
工作温度
工作压力
工作 条件
燃料利用率
氧化剂利用率
PAFC为50-60%
燃料气组成
工作温度
工作压力
工作 条件
燃料利用率
氧化剂利用率 典型的PAFC燃料气中约 含80%H2、20%CO2以及 少量CH4、CO与硫化物。
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对发展我国PAFC的建议
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，我们建议：
（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。
• 我国对PAFC 的研究基本上还处于空白状态。 作为燃料电池家族中最先实行商业化的磷 酸燃料电池，在实用化过程中取得了许多 具有应用价值的技术, 包括电池材料、结构、 系统以及运行等方面。针对我国燃料电池 目前研究现状, 若能将磷酸燃料电池上取得 的技术进行掌握并借鉴到其它类型的燃料 电池上, 对我国在燃料电池电站建设方面的 发展可以说是具有极大的指导作用。
四、PAFC性能
• • • • • 电流密度的影响 温度的影响 压力的影响 内阻的影响 寿命
电流密度的影响
电压-电流工作曲线
温度的影响
压力的影响
内阻的影响
寿命
五、PAFC应用
• 磷酸燃料电池(PAFC)自从20世纪60年代在美国开 始研究以来，由于操作温度低，耐CO 中毒能力强 等特点，得到了优先发展，是目前技术成熟、发 展最快的燃料电池, 也是目前唯一实行商业化的 燃料电池。代表性的公司有美国的联合技术公司 (UTC)。1977年由美国9家电力公司与UTC联合开 发兆瓦级燃料电池，1983年后由UTC派生的国际燃 料电池公司(IFC)开始了200 KW 级PAFC成套设 备的开发，在美国已建造了1MW、4.5MW和7.5MW 的PAFC电站。
在车辆上的应用 • 目前这方面主要是以PAFC作为基本动力电 源，配备蓄电池以满足车辆启动和爬坡时 峰值用电要求。
• 在1994年于美国圣第哥举行的第14届燃料 电池会议期间，美国能源公司展示了第一 台以甲醇为燃料PAFC做动力的公交车。
小容量可移动电源
• PAFC可以用作通讯、紧急供电、娱乐车等 的电源。与通常的柴油发电机相比，PAFC 作为军事上的通讯电源，其诱人之处在于 运行时噪音低和热辐射量极少，有利于隐 蔽目标。
其他 • 许多石油化工厂，如炼油厂、氯碱厂、合 成氨厂等，经常排放大量富氢气体。在现 场安装PAFC装置，就可以把排放气体中的 氢转化成电能，或者从中分离出纯氢气体， 从而减少资源浪费。
应用前景
• 从节省资源、减少 C O 排放等观点来看,磷酸燃料电 池是非常有效的热电联产设备,通过与污水处理厂、 食品工业等的沼气发酵技术部门进行合作,在为构 筑资源循环型社会的对策等方面的进展也令人鼓舞。 今后,将通过进一步降低成本来提高其经济性,并通 过不仅仅局限于城市燃气,而且扩大到对生物气体 等的循环型社会的多样化燃料的适用范围,为磷酸 型燃料电池的推广普及而电（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PAFC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。
现今的主要用途
PAFC适于安装在居民区。高效、紧凑、无 污染是其主要特征。它是目前最成熟和商 业化程度最高的燃料电池。美国、日本、 以及一些西欧国家建造了许多试验电厂， 功率从数千瓦到数十兆瓦不等。
磷酸燃料电池工作原理
本质是氧化还原反应，以氢气—氧气反应为例
• 阳极半反应： • 1 • 阴极半反应： O 2 2 H 2 e H 2 O 2 • 1 H 2 O 2 H 2O • 总反应： 2 •
• 活性电催化剂铂是担载在碳材料上的，碳材料在 PAFC工作条件下是相对稳定的。作为电催化剂 的载体，必须具有高的化学与电化学稳定性、良 好的电导、适宜的孔分布、高的比表面积以及低 的杂质含量。在各种碳材料中，仅有无定形的炭 黑具有上述性能。目前广泛使用的用作Pt/C电催 化剂载体的炭黑是Cabot公司由石油生产的导电 型电炉黑Vulcan XC-72。
磷酸燃料电池 Phosphoric Acid Fuel Cell PAFC
近日新闻
• 德国大众日前宣布，利用磷酸开发出了可 在120℃高温下工作的燃料电池。该公司预 测2020年便可向市场投放可供日常生活使 用的燃料电池车。此前的低温型燃料电池 （LTFC：Low Temperature Fuel Cell）受 制于固体高分子电解质膜的耐热性只能在 大约80℃的温度下工作。
目录
一、PAFC概述 二、PAFC材料 三、PAFC结构 四、PAFC性能 五、PAFC应用
一、PAFC概述
• 磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）以磷酸为电解质，以贵金属（通常 为白金）作为电极来加速气体反应。工作 温度通常在150～220℃工作，磷酸燃料电 池效率要比其它燃料电池低，约为40% 。
电介质管理
• PAFC用碳化硅薄膜厚度较小，贮存的磷酸有限， 在电池长时间运行过程中，由于磷酸挥发和电池 材料腐蚀等原因导致磷酸损失，不但影响电池性 能，严重时还会引起燃料与氧化剂互窜。 • 为确保PAFC的炭化硅薄膜有充足的磷酸，已发 展了两种技术：一是预先将酸贮存在电池内，靠 灯芯将酸导至膜电极组件中；二是在电池组内加 蓄酸板，实现磷酸的补充和当酸体积改变时防止 酸流失。
（3）隔膜材料 PAFC的电解质封装在电池隔膜内。隔膜材料目前采用微 孔结构隔膜，它由SiC和聚四氟乙烯组成，写作SiC-PTFE。 新型的SiC-PTFE隔膜有直径极小的微孔，可兼顾分离效 果和电解质传输。
• 设计隔膜的孔径远小于PAFC采用的氢电极和氧电极（采 用多孔气体扩散电极）的孔径，这样可以保证浓磷酸容纳 在电解质隔膜内，起到离子导电和分隔氢、氧气体的作用。 隔膜与电极紧贴组装后，当饱吸浓磷酸的隔膜与氢、氧电 极组合成电池的时候，部分磷酸电解液会在电池阻力的作 用下进入氢、氧多孔气体扩散电极的催化层，形成稳定的 三相界面。
• （2）电解质材料： PAFC的电解质是浓磷酸溶液。 磷酸在常温下导电性小，在高温下具有良好的离 子导电性，所以PAFC的工作温度在200℃左右。 磷酸是无色、油状且有吸水性的液体，它在水溶 液中可离析出导电的氢离子。浓磷酸（质量分数 为100%）的凝固点是42℃，低于这个温度使用 时，PAFC的电解质将发生固化。而电解质的固 化会对电极产生不可逆转的损伤，电池性能会下 降。所以PAFC电池一旦启动，体系温度要始终 维持在45℃以上。
电池密封
• 电池密封分两个部分：一是每节电池氧化剂与燃 料相邻两个周边的密封；二是燃料腔与空气相邻 两个周边的密封和外共用管道与电池组的密封。 • 对于干装电池，可将碳化硅隔膜需密封边浸入氟 密封胶，并使其渗入隔膜内部，完成隔膜阻气和 实现与双极板之间的密封。而对湿装电池（预先 将浓磷酸浸入碳化硅隔膜），浓磷酸即可起密封 作用。外用管道与电池组间的密封一般采用Viton 橡皮做密封垫，该橡皮在PAFC工作温度下具有 轻微流动性，有助于实现外共用管道与电池组间 密封。
反应示意图
• （4）双极板材料 • 双极板的作用是分隔氢气和氧气，并传导电流， 使两级导通。双极板材料是玻璃态的碳板，表面 平整光滑，以利于电池各部件接触均匀。为了减 少电阻和热阻，双极板材料非常薄。 • 要求：足够的气密性，以防止反应气体的渗透； 在高温高压及磷酸中化学性能稳定性；良好的导 电导热能力；足够的机械强度。 • 在1000-2000度对热固树脂（如酚醛树脂、环氧 树脂）碳化制得的玻璃化碳强度高、气密性好
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二、PAFC材料
（1）电极材料：电极材料包括载体材料和电催化剂 材料。催化剂附着于载体表面，载体材料要求导 电性能好、比表面积高、耐腐蚀和低密度。
PAFC采用Pt/C电催化剂，其技术关键为在高比 表面积的炭黑上担载纳米级高分散的Pt微晶。铂 源一般采用氯铂酸，按制备路线可分为两类不同 方法：一是先将氯铂酸转化为铂的络合物，再由 铂的络合物制备高分散Pt／C电催化剂；二是从 氯铂酸的水溶液出发，采用特定的方法制备纳米 级高分散的Pt/C电催化剂。
用于发电厂
• 包括两种情形： • （1）分散型发电厂，容量在10-20MW之间，安 装在配电分。 • （2）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。
• 进入20 世纪80 年代，由于日本的需求和其财力 雄厚，PAFC 的商业化工作主要在日本进行。 1990年，国际燃料电池公司（IFC）与日本东芝 公司以商业化为目的成立了ONSI公司，专门生产 PC-25型（200 kW）PAFC燃料电池成套设备。 之后，PC-25型由A型发展到B型，C型和D型。 • 德国大众目前正在技术中心以达到实用化水平为 目标进行研发。该公司今后打算在2010年前后生 产配备输出功率更高的PAFC系统的试验用燃料 电池车，并力争2020年前后投产 。
（2） 双极板结构 • PAFC的双极板材料采用复合碳板。复合碳板分 三层，中间为无孔薄板，两侧为多孔碳板。 • 作为PAFC的双极板，最重要的性能是它的比电 导、与电极之间的接触电阻和在电池工作条件下 的稳定性。20世纪80年代，采用铸模工艺由石墨 粉和酚醛树脂制备带流场的双极板。对模铸双极 板，其性能由石墨粉粒度分布、树脂类型与含量、 模铸条件与焙烧温度等决定。
三、PAFC结构
（1）电极结构 • PAFC采用的电极与AFC一样，均属多孔 气体扩散电极。为提高铂的利用率、降低 铂载量，开发了PAFC专用电极，该电极分 为三层： • 支撑层 • 整平层 • 催化层
相应的制备工艺 • 支撑层：将疏水碳纸浸入40%~50%的聚四 氟乙烯乳液后，孔隙率降至60%左右，平 均孔径12.5m。支撑层的厚度0.2~0.4mm 它的作用是支撑催化层，同时起收集和传 导电流的作用。