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磷酸燃料电池技术及其原理

钜大LARGE  |  点击量:131次  |  2019年08月06日  

摘要
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... 关键字:磷酸燃料电池 浓磷酸 电解质。

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。


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。


阳极反应:H2+2e- →2H+


阴极反应:1/2O2+2H+ → H2O+2e-


总反应: 1/2O2 +H2 → H2O


电池本体(即单个电池)的输出电压在无负荷的状态下,为1[V]程度。提高电流密度,通常设计以0.6—0.7[V/单个电池]为额定值。无负荷状态与实际电压的差作为热能而放出。并且,电池本体的发电效率不决定于电池面积,所以,燃料电池本质上即使是下容量的,也是高效率的。实际使用上是按输出的需要,把数十个以至数百个电池本体串联而积成为电池组合体(stack)的。


PAFC作为一种中低温型(工作温度180-210℃)燃料电池,不但具有发电效率高、清洁、适应多样燃料、无噪音、运转费低、设置场所限制少、大气压运转容易操作、安全性优良、部分负荷特性好等特点,而且还可以热水形式回收大部分热量。下表给出先进的ONSI公司PC25C型200kW PAFC的主要技术指标。最初开发PAFC是为了控制发电厂的峰谷用电平衡,近来则侧重于作为向公寓、购物中心、医院、宾馆等地方提供电和热的现场集中电力系统。


PAFC用于发电厂包括两种情形:分散型发电厂,容量在10-20MW之间,安装在配电站;中心电站型发电厂,容量在100MW以上,可以作为中等规模热电厂。PAFC电厂比起一般电厂具有如下优点:即使在发电负荷比较低时,依然保持高的发电效率;由于采用模块结构,现场安装简单,省时,并且电厂扩容容易。


受1973年世界性石油危机以及美国PAFC研发的影响,日本决定开发各种类型的燃料电池,PAFC作为大型节能发电技术由新能源产业技术开发机构(NEDO)进行开发。自1981年起,进行了100kW现场型PAFC发电装置的研究和开发。1986年又开展了200kW现场性发电装置的开发,以适用于边远地区或商业用的PAFC发电装置。


富士电机公司是目前日本最大的PAFC电池堆供应商。截至1992年,该公司已向国内外供应了17套PAFC示范装置,富士电机在1997年3月完成了分散型5MW设备的运行研究。作为现场用设备已有50kW、100kW及500kW总计88种设备投入使用。下表所示为富士电机公司已交货的发电装置运行情况,到1998年止有的已超过了目标寿命4万小时。


我国在这方面还处于研究初期,与发达国家之间还有较大差距,需奋起直追。


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