第五章燃料电池之磷酸燃料电池-3
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
磷酸燃料电池的特点
(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。
发展过程
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HTFC系统的试验用 燃料电池车，并力争2020年前后投产 。
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。
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。
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。
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
1 2 3
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。
磷酸盐型燃料电池
磷酸盐型燃料电池1、原理1.1电极反应磷酸型照料电他(PAFC)以磷酸为电解质，具有耐转化燃料气及空气中的CO2，能力。
因此，与低温型AFC(燃料气中不允许含CO2和CO)及SPFC(燃料气中不允许含CO)相比，PAFC更能适应各种工作环境。
磷酸在水溶液中易解离出氢离子(H3PO4—H+十H2PO4-)，它能将阳极(燃料极)反应中生成的氢离子传输至阴极(空气极)。
阳极：H2 —2H++2e-阴极：1/2O2+2H++2e- —H2O1.2三相电极作用原理磷酸型燃料电他的工作条件有以下几个方面:(1)工作温度PAFC的工作温度为453—483K。
选择这一温度范围的依据是磷酸的蒸汽压、讨料的耐腐蚀性能、电催化剂的耐co能力及电池特性。
研究表明，提7哥工作温度能使PAFc电池推效串更高。
(2)工作压力PAFC的工作压力为常压至零点几兆铂。
通常，对于小容量电他采用常压操作。
对于大容量PAPc电他堰，多采用加压操作。
与低压操作时情况相灶；、PAPC电他堰在较高压力下运行时，反应速率加快、发电效率提高。
对于加压操作曲PAFc系统，工作废力一般设定在o．7一o．8MPa。
(3)冷却方式包括水冷却式、空气冷却式与绝缘油冷却3种方式。
(4)燃料利用率P观的燃料利用率为70％一80％。
所谓燃料利用率指的是在燃料电他内部转化为电能的氢气量与燃料中所含的氢气量之比。
(5)氧化剂利用率PAFl：的氧化剂利用率为50％一60％。
以空气作氧化剂为例，空气中氧含量约为21％，50％一60％的氧化剂利用率指的是空气中的氧有50％一60％在燃料电池内被消耗掉。
(6)反应气组成典型的转化燃料气中约含80％Hz、20％c02以及少量CH4、C()与硫化物。
磷酸型燃料电池的特点与熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)与固体氧化物燃料电池(SOFC)相比，PAPC具有以下优缺点。
(1)优点磷酸型燃料电池的优点是：能在低温下发电，而且稳定性良好；余热利用中获得的水可宜接作为人们日常生活用热水；起动时间短。
《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。
燃料电池工作原理、分类及组成
在五六十年代，阱-空气燃料电池曾作为军用电源大力开发。
这种电池最主要的缺点是阱具有极高毒性、价格昂贵。而 且，这种电池系统需要大量辅助设备，这不仅需要消耗电 池所产生功率中的相当大一部分，而且在电池正常工作前 必须启动这些辅助设备。
因此，尽管在理论上阱氧化产生的能量比大多数其他燃料 要大得多，但阱电池在商业上似乎不大可能有重要用途。
阴极 总反应
3 2
O2
6H
6e
3H 2 O
3 CH3OH 2 O2 CO2 2H2O
甲醇在阳极电化学氧化过程的机理非常复杂，在完成6个 电子转移的过程中，会生成众多稳定或不稳定的中间物， 有的中间物会成为电催化剂的毒物，导致催化剂中毒， 从而降低电催化剂的电催化活性。
甲醇氧化的可能步骤
因此，DMFC开发过程中，甲醇直接氧化电催化剂的研发、 反应机理等一直是研究热点，也是DMFC发展的关键之一。
PAFC结构
PAFC系统
AFC
碱性燃料电池
碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池相似，但其使用的电 解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。电化学反应：
阳极： 2H 4OH 4H2O 4e 阴极： O2 2H2O 4e 4OH
碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此启动也很快，但其电力密度 却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得笨拙。 不过，它们是燃料电池中生产成本最低的，因此可用于小型的固定发 电装置。
液体燃料在进入AFC电池堆之前必须进行预处理。阱 （N2H4）在AFC阳极上易分解成氢气和氯气，其电极 反应可能是：
实验结果表明，以阱为燃料的AFC电性能与氢氧 AFC电性能差不多相等。 有人认为这两种燃料的电化学过程实际上是相同 的，阱仅仅起到氢气源的作用。
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。
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。
磷酸燃料电池
1） 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。
(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)装臵紧凑，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。
PAFC的优点 技术成熟 极佳的可靠性及长效性 电解质成本相对较低 PAFC的缺点 催化剂铂昂贵 对一氧化塘和硫容易中毒 电解质为挥发性液体，必须在工作时不 断补充
磷酸燃料电池
磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell )
20世纪70年代，世界各国开始致力于研究以酸为电解质 的燃料电池。由于磷酸易得，反应温和，PAFC成为所有 燃料电池中发展最快、研究最成熟、应用最多的燃料电 池1977年由美国9个电力公司与联合技术公司(United Technology Corporation, UTC)联合开发兆瓦级燃料电池。 1991年日本东芝公司与UTC联合制造的11 MW PAFC发电 站也已投人运行，是目前世界上运行规模最大的燃料电 池发电系统。美国于1997年开始研制PAFC发电机组，仅 在1998年就有42台200 kW PAFC发电机组投人运行。在小 型现场燃料电池领域，1990年东芝和美国国际燃料电池 (International Fuel Cell, IFC)公司为使现场用燃料电池商业 化，成立了ONSI公司，开始向全世界销售现场型200 kWPC25系列设备。我国于2001年从日本引进了PC25发 电装臵，安装在广州市番禺某养猪场内，利用沼气进行 发电运行试验。 目前美国、日本、加拿大、韩国和欧洲很多国家都发展 了PAFC电站，实践证明PAFC是可靠的电源
第五章 碱性燃料电池 第三节 性能
第一节 碱性燃料电池概述 第二节 碱性燃料电池的材料与结构 第三节 碱性燃料电池的性能 第四节 碱性燃料电池的实例
一、反应气工作压力对电池性能的影晌
选定的电他工作 的压力范围(o．1520 MPa)，大量的实 验数据证明，反应气 工作压力每升高 o．o1MPa，平均每 节单他的工作电压升 高1mV。
电池组
电池组伏—安特性曲线
八、电池系统寿命
以纯氢、纯氧[纯度(体积分数)＞99.9％]为燃料 和氧化剂，反应气利用率控制在)98％，电池组 正常输出功率为350-400 w，峰值(加载)负载 为800 w左右，连续运行450 h，典型的结果见 下表。电池组性能稳定，各次实验平均单池衰减 速率均在30µV／(节·h)至7µV／(节·h)。
相关碱性燃料电池的实验结果如下图所示。
由图可知， 对这种确定的电 池结构，水腔真 空度在 (18.7+o.7) kPa 区间为 佳。此时对应的 导水膜碱浓度 (质量分数)约为 40％。
四、反应气中杂质气体的影响
五、CO2的影响
六型的AFC电池组的伏-安曲线与电池效率
二、电池工作温度对电池性能的影响
由图可知，在 实验范围内，动力 学因素大于热力学 因素，电池工作电 压随着电他工作温 度的升高而增加， 而且电池工作电流 密度高时增加幅度 大 。
三、静态排水电池水腔真空度对电池性能的影响
水腔真空度与电池工作温度决定了静态排水 碱性燃料电池导水膜水腔侧碱的浓度。而在 电池一定工作电流密度范围内，这一浓度对 确定的电池结构则决定了膜／电极“三合一” 组件中石棉膜中碱的浓度。石棉膜内碱的浓 度大小与其电导密切相关，也就是说它影响 电池欧姆极化的大小。因此，对确定的电池 结构设计和选定的电池工作温度．电池工作 电压是水腔真空度的函数。
磷酸燃料电池原理
磷酸燃料电池原理磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）是一种常温下工作的燃料电池，利用磷酸溶液作为电解质。
它是一种成熟的燃料电池技术，具有较高的能量转换效率和长时间的稳定运行能力。
下面将详细介绍磷酸燃料电池的原理。
磷酸燃料电池的核心是由阳极、阴极、电解质和催化剂组成的电化学系统。
阳极和阴极之间通过磷酸溶液形成电解质层，催化剂则位于阳极和阴极上，起到催化氧化还原反应的作用。
磷酸燃料电池的工作原理类似于其他燃料电池，主要分为两个半反应：氧化反应和还原反应。
在阳极，燃料（一般为氢气）被催化剂催化分解成氢离子和电子。
氢离子通过磷酸溶液传递到阴极，而电子则通过外部电路流动到阴极。
在阴极，氧气被催化剂催化分解成氧离子，并与从阳极传递过来的氢离子结合生成水。
这样，磷酸燃料电池就完成了氢气和氧气的电化学反应，产生了电能和水。
磷酸燃料电池的反应过程是基于电解质中的磷酸根离子（H2PO4-）的传递。
磷酸根离子在整个反应过程中起到了电荷平衡的作用。
它能够与氢离子和氧离子结合形成磷酸分子，同时释放出电子。
这样，磷酸根离子在反应过程中不断传递，保证了电解质中的电荷平衡。
磷酸燃料电池的优势在于其较高的能量转换效率和长时间的稳定运行。
磷酸酸性电解质具有良好的传质性能和稳定性，能够在常温下工作，并且能够承受高温条件下的腐蚀和氧化。
此外，磷酸燃料电池的催化剂通常采用贵金属，如铂，具有较高的催化活性，能够加速反应速率，提高电池的效率。
然而，磷酸燃料电池也存在一些限制和挑战。
首先，磷酸燃料电池的工作温度较高，一般在150-200摄氏度之间，需要较长的启动时间。
其次，磷酸燃料电池的催化剂成本较高，增加了电池的制造成本。
此外，磷酸燃料电池的磷酸溶液易受到污染和腐蚀，需要定期更换和维护。
尽管存在这些限制，磷酸燃料电池仍然是一种十分有潜力的燃料电池技术。
它可以广泛应用于电力和热能领域，如家庭能源系统、交通工具和工业生产。
磷酸盐燃料电池的原理
磷酸盐燃料电池的原理磷酸盐燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，简称PAFC）是一种高温燃料电池，它以磷酸为电解质，并使用氢气作为燃料，氧气作为氧化剂。
PAFC被广泛应用于电力供应、发电站和工业应用中。
磷酸盐燃料电池的构成分为阳极、阴极和磷酸盐电解液层。
阳极通常由铂催化剂覆盖的碳质材料制成，而阴极则由作为催化剂的金属氧化物制成。
磷酸是在高温下成为凝胶状的电解质，填充在阳极和阴极之间。
在PAFC中，氢被输入到阳极侧，经过一系列的反应转化为氧化钠离子（OH-）。
首先，氢气从阳极加入电池，通过自由传递到阳极表面的电子，触发电催化剂上的氢离子（H+）和自由电子（e-）相互作用。
这种催化剂通常是铂。
这个反应既氧化了氢气，也提供了电子。
离子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）通过允许氢离子通过而阻止电子通过，分隔了阳极和阴极。
这就导致了氢离子在阳极和阴极之间的迁移。
从阳极流向阴极的氢离子将穿过磷酸盐电解质层，与氧气一起进入阴极。
同时，在阴极表面，氧气被电子还原为氧离子（O2-）。
该反应的催化剂通常是钴、镍或铁的氧化物。
这样，经过催化剂催化后的氧离子和氢离子在阴极表面和磷酸盐电解质中遇到，形成水分子。
水分子将沿磷酸盐电解质向阳极侧运动，从而完成了燃料电池中的电化学反应。
磷酸盐电解液在整个反应过程中起着至关重要的作用。
根据理论和实践，磷酸盐电解质足够浓度才能有效地传递离子，一般浓度为85%的磷酸。
此外，磷酸盐电解液的高温（通常在150-200度之间）还能够加速离子运动和反应速率，提高燃料电池的效率。
总的来说，磷酸盐燃料电池基于氢气和氧气的电化学反应，通过阳极的氧化和阴极的还原，在高温条件下通过磷酸为电解质的媒介，将化学能转化为电能，从而实现能源的高效利用。
该技术具有能量转换效率高、工作稳定可靠、环境友好等优点，拥有广泛的应用前景。
燃料电池培训课件(ppt 47页)
焙烧处理
在 330～ 340℃的温度下，焙烧浸好的碳纸，排出其中浸 入的聚四氟乙烯乳液所含的表面活性剂，同时使聚四氟 乙烯热熔烧结并均匀分散在碳纸的纤维上，实现憎水。
整平处理
将水或水＋乙醇的混合液作溶剂，加入炭黑与 PTFE配成 的质 量比为１:１的溶液，用超声波将溶剂与溶液振荡均 匀。当混合物静止沉淀后，弃去上清液，取其沉降物涂 到憎水处理的碳纸上，实现其表面平整。
Pt/C催化剂是PAFC常用的电极活性材料。
铂和过渡金属（V、Cr、Co等）和合金
电极结构
双极板
扩散层 平整层 催化层
电解质材料
浓磷酸溶液
隔膜材料
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，表面平整无滑，以 利于电池各部件接触均匀。
PAFC是目前单机发电量最大的一种燃料电池。
PAFC的工作原理
阴极反应： 阳极：
1/C2HO4阳2++22极HH2+O反+2→e应4-→H：H2H2+→2COO2H2 ++2eCH3HOH2→+H22OH→++32He2+- CO2
阴极反应： 1/2O2+2H++2e- →H2O
总反应 1/2O2+2H2 →H2O
燃料电池的组成
燃料电池是一个复杂的系统，由燃料和氧化 剂供给系统，水管理系统，热管理系统以及 控制系统等几个子系统组成。
燃料电池的种类
碱性燃料电池（AFC）（alkaline fuel cell) 磷酸型燃料电池(PAFC) (phosphorous acid
磷酸燃料电池ppt
学习国际先进经验
学习国际先进的磷酸燃料电池 技术和产业发展经验，汲取优 秀的发展模式和经验，加快我 国磷酸燃料电池产业的发展。
推广中国标准
积极推广中国标准的磷酸燃料 电池技术，让更多的国家和企 业了解并采用中国标准的磷酸 燃料电池技术，提高我国在国
际上的影响力和竞争力。
07
结论
主要观点和结论
磷酸燃料电池ppt
xx年xx月xx日
目 录
• 引言 • 磷酸燃料电池的基本原理 • 磷酸燃料电池的优缺点 • 磷酸燃料电池的应用领域 • 磷酸燃料电池产业现状与趋势 • 如何推动磷酸燃料电池技术的发展 • 结论
01
引言
什么是磷酸燃料电池
磷酸燃料电池（Phosphorus Fuel Cell，PFC）是一种以氢 气为燃料，以磷酸为电解质，通过化学反应将化学能转化为 电能的发电装置。
技术发展趋势及重点企业
技术发展趋势
未来，磷酸燃料电池技术将朝着提高能量密度、降低成本、 提高安全性和环保性等方向发展。
重点企业
Johnson Matthey是全球领先的磷酸燃料电池制造商，其产 品广泛应用于电动汽车、电力储能等领域。
政策环境分析
政策支持
各国政府都在积极推动可再生能源和新能源汽车产业的发展，为磷酸燃料电 池产业提供了广阔的政策支持空间。
要点一
磷酸燃料电池市场规 模
全球范围内，磷酸燃料电池市场规模 持续扩大，特别是在交通运输和电力 领域的应用。
要点二
区域发展ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ况
北美和欧洲是全球最大的磷酸燃料电 池市场，亚洲和其他地区的市场也在 迅速增长。
要点三
主要企业
全球范围内，许多知名企业都在积极 布局磷酸燃料电池产业，如Johnson Matthey、Sumitomo、Toshiba等 。
【新能源汽车电子教案】第五章 燃料电池电动汽车
第五章燃料电池电动汽车学习目标1.掌握燃料电池的类型及特点，并了解其工作原理。
2.掌握燃料电池电动汽车的类型及结构。
3.了解燃料电池电动汽车的产业发展状况。
4.了解燃料电池电动汽车的典型车型。
第一节燃料电池电动汽车的类型与基本结构一、燃料电池类型及其性能分析燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置、燃料电池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）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。
11．质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极（阳极、阴极）、质子交换膜和集流板组成。
2．碱性燃料电池碱性燃料电池的电解质为碱性的氢氧化钾（KOH），故称为碱性燃料电池。
3．磷酸燃料电池磷酸燃料电池是以磷酸为电解质，故称为磷酸燃料电池。
4．熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）通常采用含锂和钾的碳酸盐为电解质，阴极为镍的氧化物，阳极为镍合金，正常工作温度为650oC。
25．固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池的电解质是固体氧化物，催化剂和电池的结构材料，也都是固体氧化物。
故称为固体氧化物燃料电池。
二、燃料电池电动汽车的类型与其结构燃料电池汽车定义：燃料电池电动汽车（FCEV）是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下在燃料电池中经电化学反应产生的电能，并作为主要动力源驱动的汽车。
1．燃料电池单独驱动FCEV该结构只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由3燃料电池承担。
图5-6纯燃料电池驱动的FCEV2．燃料电池与辅助蓄电池联合驱动FCEV。
该结构为一典型的串联式混合动力结构43．燃料电池与超级电容联合驱动FCEV这种结构形式与燃料电池+蓄电池结构相似，只是把蓄电池换成超级电容。
图5-8燃料电池与超级电容联合驱动4．燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动的FCEV 燃料电池与蓄电池和超级电容联合驱动的电动汽车的动力系统结构也为串联式混合动力结构。
第五章燃料电池之磷酸燃料电池-3
空冷式
绝缘油冷却
利用空气强 制对流而将 燃料电池产 生的热量移 走。
电池系统组成
燃料电 池本体 燃料转 化装置
水冷式
冷却 方式
组成
热量管 理单元 系统控 制单元
空冷式
特点是排热 系统简单， 操作稳定可 靠
绝缘油冷却
电池系统组成
燃料电 池本体 燃料转 化装置
水冷式 由美国Englhard公
燃料电池
LOGO
磷酸型燃料电池
（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC ）
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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）。 阳极：H2 2H++2e 阴极：1/2O2+ 2H++2eH2O 总反应： 1/2O2+ H2 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。
燃料气组成
工作温度
工作压力 常压至几百千帕
工作 条件
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。
燃料利用率
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
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%。
电池系统组成
电极支持层 燃料电 池本体 燃料转 化装置 单电池 电极（燃料极与空气极） 双极板 介于两电极之间富 含浓磷酸的电解质层
燃料电池_3-1_概述
磷酸燃料电池
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3、居民家庭的应用
❖ 对于固定应用而言，设计燃料电池的技术困难就简化得多了。尽管许多 燃料电池能生产50 kW的电能，但绝大部分商业化的燃料电池目前都是 用于固定的。现在，许多迹象表明，燃料电池也可用语人们称做的居民 应用（大都小于50 金科学学与与工工程程学学院院
➢ 氢能 “喝”氢的汽车
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燃料电池
燃料电池的概念是由蒙德(Mond)和莱格(Langer)于1889年首先提出 来的。就在这时内燃机问世了，内燃机的发明使人们对燃料电池的兴趣 推迟了60年。
❖ 在20世纪80年代航天飞机开始飞行时，Pratt & Whitney的姊妹公司国际 燃料电池公司继续为NASA提供航天飞机使用的碱性燃料电池。飞船上所有的 电力需求由3组12 kW的燃料电池存储器提供，勿需备用电池。国际燃料电池 公司技术的进一步发展使每个飞船上使用的燃料电池存储器能提供约等于阿波 罗飞船上同体积的燃料电池十倍的电力。以低温氢和氧为燃料，这种电池的效 率为70%左右，在截至现在的100多次飞行中，这种电池共工作了80，000 多个小时。
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2、移动装置上的应用
❖ 伴随燃料电池的日益发展，它们正成为不断增加的移动电器的主要能 源。微型燃料电池因其具有使用寿命长，重量轻和充电方便等优点， 比常规电池具有得天独厚的优势。
❖ 如果要使燃料电池能在膝上型电脑，移动电话和摄录影机等设备中应 用，其工作温度，燃料的可用性，以及快速激活将成为人们考虑的主 要参数，目前大多数研究工作均集中在对低温质子交换膜燃料电池和 直接甲醇燃料电池的改进。正如其名称所示，这些燃料电池以直接提 供的甲醇-水混合物为基础工作，不需要预先重整。
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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。
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。
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典型PAFC结构图 (a)槽形电极型，(b)槽形隔板型
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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。
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
关键 材料
关键材料
Pt/C催化剂
电催化剂 电解质
合金催化剂
关键 材料
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 物），然后在惰 双极板 性气氛下高温处 理，制备铂合金 催化剂
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（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。 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。
操作 条件
温度：1023-1123K, 温度：高温段 压力：0-0.98 MPa， 593-753K,低温段 水-碳之比：2-4 453-553K；压力： 0-0.98MPa Fe-Cr催化剂 Cu-Zn催化剂
催化 剂
Co-Mo催化剂， Ni催化剂 或Ni-Mo催化 剂、ZnO
电池系统组成
燃料电 池本体 燃料转 化装置
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。
燃料气组成
5.3.3电池系统组成
燃料电 池本体 燃料转 化装置
组成
热量管 理单元 系统控 制单元
PAFCபைடு நூலகம்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。
组成
热量管 理单元
逆变器
系统控 制单元
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
电池系统组成
燃料电 池本体 燃料转 化装置
组成
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 程
过程控制系统
5.3.4关键材料
Pt/C催化剂
电催化剂 电解质 隔膜 双极板
水冷式
冷却 方式
组成
热量管 理单元 系统控 制单元
空冷式
冷却水的 温度大约 在160-180℃
绝缘油冷却
电池系统组成
燃料电 池本体 燃料转 化装置 沸水冷却
水冷式
冷却 方式
组成
热量管 理单元 系统控 制单元
加压水冷却
空冷式 绝缘油冷却
电池系统组成
燃料电 池本体 燃料转 化装置
水冷式
冷却 方式
组成
燃料气组成
工作温度
工作压力 常压至几百千帕
工作 条件
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。
燃料利用率
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
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%。
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
电催化剂 电解质 隔膜 双极板
磷酸浓度是一个非常 重要的参数，合适范 围为98-99%
关键 材料
关键材料
电催化剂 电解质 隔膜 双极板
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
电池系统组成
电极支持层 燃料电 池本体 燃料转 化装置 单电池 电极（燃料极与空气极） 双极板 介于两电极之间富 含浓磷酸的电解质层
组成
热量管 理单元 系统控 制单元
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
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PAFC系统中常用冷却方式比较
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绝缘油冷却管模式图
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电池系统组成
燃料电 池本体 燃料转 化装置
冷却 方式 司研究开发。适用 于小型现场型燃料 空冷式 电池系统。
组成
热量管 理单元 系统控 制单元
绝缘油冷却
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。 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。
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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SiCPTFE。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。
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（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。
关键 材料
关键材料
电催化剂 电解质 隔膜 平板型 双极板 槽型
关键 材料
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。 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。 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。
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