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磷酸磷酸燃料电池型燃料电池

磷酸磷酸燃料电池型燃料电池

作者:美尚佳美 时间:2020-01-08 16:45 人气:  返回首页

  磷酸型燃料电池 phosphoric acid fuel cell--PAFC 目录 概述 基本组成和反应原理 特点 研究重点 发展过程 应用开发状况及前景 对发展我国PAFC的建议 概述 磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)是以浓磷酸为电解质,以贵 金属催化的气体扩散电极为正、负电极的 中温型燃料电池。可以在150~220℃工 作。具有电解质稳定、磷酸可浓缩、水蒸 气压低和阳极催化剂不易被CO毒化等优 点,是一种接近商品化的民用燃料电池。 概述 磷酸燃料电池有第一代燃料电池之称,同时 也是当前商业化发展最快的一种燃料电池。使用 液体磷酸为电解质。尽管磷酸燃料电池的工作温 度要在150 - 220℃左右,但仍需电极上的白金催 化剂来加速反应。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。且较高的工作温度也使其对杂质的 耐受性较强。 磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低,约 为40%,其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。 优点是构造简单,稳定,电解质挥发度低等。磷 酸燃料电池可用作公共汽车的动力。 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 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。 磷酸燃料电池的特点 (1)发电效率在35%~ 43%之间,大容量电站效 率较高些。热电联供时,总效率为71%-85%; (2)洁净、对环境污染小,没有(或很小)转动部 件,振动和噪声污染也很小; (3)随着技术不断改进,PAFC电站,特别是 50kW和200kW电站,其无故障连续运行时间在 不断加长。 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。 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。 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 。 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。 应用开发状况 发电厂 现场发电 车辆 小容量可移动电源 其他 一、用于发电厂 PAFC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 电分站;(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。 二、用于现场发电 现场(集中)发电(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。 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。 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。 对发展我国PAFC的建议 (2)加强国际交流合作,并积极引进国外 先进PAFC装置,以积累操作、维护经验。 (3)组织各部门分工协作,争取及早制造 出国产PAFC装置。由于PAFC技术复杂, 可由化工、机械、电工、研究单位分别负 责天然气转化制氢、设备制造、交直流转 换、电池本体制作安装。