第五章燃料电池之磷酸燃料电池

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系统控 制单元
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
燃料转化系统中每个过程操作条件
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
组成
电池系统组成
燃料电 池本体
燃料转 化装置
热量管 冷却 理单元 方式
系统控 制单元
水冷式 空冷式
冷却水的 温度大约 在160-180℃
绝缘油冷却
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
组成
电池系统组成
燃料电 池本体
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
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。
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
典型PAFC结构图 (a)槽形电极型,(b)槽形隔板型
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
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、各种类型物料管燃料电 池本体
燃料转 化装置
热量管 冷却 理单元 方式
系统控 制单元
水冷式 空冷式
特点是排热 系统简单, 操作稳定可

绝缘油冷却
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
组成
电池系统组成
燃料电 池本体
燃料转 化装置
热量管 冷却 理单元 方式
系统控 制单元
水冷由式美国Englhard公
司研究开发。适用
燃料气组成
典型的PAFC燃料气中约
含80%H2、20%CO2以及 少量CH4、CO与硫化物。
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
5.3.3电池系统组成
组成
燃料电 池本体
燃料转 化装置
热量管 理单元
系统控 制单元
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
组成
电池系统组成
燃料电 池本体
单电池
电极支持层 电极(燃料极与空气极)
第二层:整平层(扩散层 ) 为便于在支撑层上制备催化 层,在炭纸表面制备一层由X-72型炭和50%聚四氟乙烯乳液组成 的混合物,厚度为1~2m。
为提高担体的抗腐蚀性能,可在惰性气氛下,高温处理碳材料增加炭材 长程有序度,如Vulcan XC-72经过这种处理其抗腐蚀性大为改善。
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
在PAFC的工作条件下,纳米级铂微晶电催化剂中铂的表面积 会逐渐减小,除因磷酸电解质和空气中杂质和磷酸本身与阴离子 在铂表面吸附结块导致铂的有效活性表面积减少外,主要是由铂 溶解-再沉积和铂在炭载体表面迁移和再结晶引起的。另外,由 于铂微晶与炭载体之间的结合力很小,小的铂微晶可经炭表面迁 移、聚合,生成大的铂微晶导致铂表面积下降。
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
(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,使两极导 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;良好的导电电热能力;足够 的机械强度。
燃料电池
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
磷酸型燃料电池 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC )
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
5.3 磷酸型燃料电池
5.3.1磷酸型燃料电池概述
• PAFC以磷酸为电解质,磷酸在水溶液中易 离解出氢离子,并将阳极(燃料极)反应 中生成的氢离子传输至阴极(空气极)。
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。作为电催化剂的担体,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催化剂担体的炭 黑是Cabot公司由石油生产的导电型电炉黑Vulcan XC-72。
空冷于电式小池型系现统场。型燃料
绝缘油冷却
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
冷却方式:
在PAFC电池堆中,有3种不同冷却方式,即水冷 却、空气冷却和绝缘油冷却。一般来讲,水冷却 式的冷却效果优于其他两种方式,对于大规模电 站系统更是如此。空气冷却比水冷却简单,适合 小规模发电装置,但空气冷却需要较多的辅助动 力设备以促进空气循环,发电系统净效率将会降 低。
• 阳极:H2
2H++2e-
• 阴极:1/2O2+ 2H++2e-
• 总反应: 1/2O2+ H2
H2O H2O
• 电极必须有高活性、长寿命的电催化特性, 还应有良好的多孔扩散功能,使电极能维 持稳定的三相反应界面。
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
PAFC优缺 点
优点:与MCFC、SOFC等高温燃料电池相比,PAFC 系统工作温度适中,构成材料易选;启动时间短,稳定 性良好,产生的热水可直接作为人们日常生活使用,余 热利用效率高;与AFC(燃料气中不允许含CO2和CO) 及PEMFC(燃料气中不允许含CO)等低温型燃料电池 相比,具有耐燃料气及空气中的CO2能力,PAFC更能 适应各种工作环境。
从冷却效果与系统复杂程度比较,绝缘油冷却 方式介于水冷却与空气冷却两者之间,它的整个 系统比较紧凑、简单,且不易腐蚀。下表对PAFC 系统中采用的三种冷却方式特点进行了比较。
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
PAFC系统中常用冷却方式比较
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
绝缘油冷却管模式图
关键 材料
电催化剂
电解质
隔膜 双极板
平板型 槽型
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
PAFC关键材料
(1)电极材料 电极材料包括载体材料和催化剂材料。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 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。
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(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。
燃料转 化装置
双极板
热量管 理单元
介于两电极之间富 含浓磷酸的电解质层
系统控 制单元
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
1)电池本体: 单电池构造: PAFC单电池的基本构成如图所示
磷酸型燃料电池(单电池)基本构造图
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
单 电 池 外 形 为 正 方 形 层 状 结 构 , 边 长 为 70100cm,厚度约为5mm,它包括电极支持层、 电极(燃料极与空气极)、集流-隔板、介于两电极 之间的含浓磷酸的电解质层。 电极支持层与电极保持一定的孔隙率以维持足够 的透气性,电极催化剂层由铂与合金载体组成, 铂负载量约为0.2-0.75mg/cm2。
缺点:与PEMFC一样,PAFC须采用贵金属催 化剂,易为燃料气中CO毒化,对燃料气的净化处理要 求高;磷酸电解质具有一定腐蚀性。
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
5.3.2工作条件
工作温度
180-210℃
工作 条件
工作压力 磷酸的蒸汽压、材料耐腐蚀性 能、电催化剂耐CO能力及电池
燃料利用率 性能要求,研究表明,提高工 作温度能使PAFC效率更高。

过程控制系统
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
5.3.4关键材料
电催化剂
Pt/C催化剂
关键 材料
电解质 隔膜
先将铂氯酸 转化为铂络 合物,再由 铂络合物制 备高分散 Pt/C催化剂
从铂氯酸的水 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
双极板
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
关键材 料
氧化剂利用率
燃料气组成
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
工作 条件
工作温度
工作压力
常压至几百千帕
燃料利用率 小功率采用常压操作,大功 率的大多采用加压操作,较 大压力下PAFC电化学反应速
氧化剂利用率 率加快、发电效率提高。
燃料气组成
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
工作 条件
工作温度
工作压力 燃料利用率 氧化剂利用率
燃料转 化装置
热量管 冷却 理单元 方式
系统控 制单元
水冷式 空冷式
沸水冷却 加压水冷却
绝缘油冷却
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
组成
电池系统组成
燃料电 池本体
燃料转 化装置
热量管 冷却 理单元 方式
系统控 制单元
水冷式
利用空气强
空冷式
制对流而将 燃料电池产
生的热量移
绝缘油冷却 走。
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
组成
电池系统组成
燃料电 池本体
燃料转 化装置
热量管 理单元
系统控 制单元
逆变器
将燃料电池系统 生产的直流电转
换成交流电
过程控制系统
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
组成
电池系统组成
燃料电 池本体
燃料转 化装置
热量管 理单元
系统控 制单元
设计的基本准则是
逆变器
有效的管理响应相 时间相异的各个过
关键 材料
电催化剂
Pt/C催化剂 合金催化剂
电解质
在已制备好的纳
米级Pt/C催化剂
隔膜 上浸渍化学计量
的过渡金属盐(
如硝酸盐或氯化
双极板
物),然后在惰 性气氛下高温处
理,制备铂合金
催化剂
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
将氯铂酸与 过渡金属的 氯化物或硝 酸盐水溶液 利用还原剂 共沉淀到炭 上,再焙烧 制铂合金催
化剂
关键 材料
关键材料
电催化剂 电解质 隔膜
磷酸浓度是一个非常 重要的参数,合适范
围为98-99%
双极板
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
关键 材料
关键材料
电催化剂
电解质 隔膜
作用:质子传 导和隔离氧化
剂和燃料
采用SiC,由于是惰性的, 具有很好的化学稳定性
双极板
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
关键材 料
• 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。
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
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。
为防止因铂微晶的溶解和迁移、聚合导致铂表面积损失,人 们想办法将铂锚定在炭载体上。一是用CO处理Pt/C催化剂,因 CO裂解沉积在铂微晶周边的炭起锚定铂微晶的作用;二是引入 合金元素与铂形成合金,增大铂与炭的结合力,同时增加波的电 催化活性。
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
(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。
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。
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
组成
电池系统组成
燃料电 池本体
燃料转 化装置
热量管 理单元
燃料转化过程包括脱硫、催化重 整转化与一氧化碳变换三个反应 过程
是指在燃料电池内部转化 为电能的氢气量与燃料气 中所含的氢气量之比, PAFC为70-80%。
燃料气组成
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
工作 条件
工作温度 工作压力 燃料利用率 氧化剂利用率
PAFC为50-60%
燃料气组成
第五章燃料电池之磷酸燃料电池
工作 条件
工作温度 工作压力 燃料利用率
氧化剂利用率
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