[科普中国]-磷酸型燃料电池

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。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。

主要特点较高的工作温度也使其对杂质的耐受性较强，当其反应物中含有1-2%的一氧化碳和百万分之几的硫时，磷酸燃料电池照样可以工作。

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。虽然磷酸燃料电池具有上述缺点，它们也拥有许多优点，例如构造简单，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，而且有许多这样的系统正在运行，不过这种电池似乎将来也不会用于私人车辆。在过去的20多年中，大量的研究使得磷酸燃料电池能成功地用语固定的应用，已有许多发电能力为0.2 – 20MW的工作装置被安装在世界各地，为医院，学校和小型电站提供动力。

它采用磷酸为电解质，利用廉价的炭材料为骨架。它除以氢气为燃料外，现在还有可能直接利用甲醇、天然气、城市煤气等低廉燃料，与碱性氢氧燃料电池相比，最大的优点是它不需要CO2处理设备。磷酸型燃料电池已成为发展最快的，也是目前最成熟的燃料电池，它代表了燃料电池的主要发展方向。

现状磷酸型燃料电池不仅在效率、环保特性等方面具有优良的一面，而且在持久性、可信赖性方面也非常可靠。例如， 现在日本民用产业用以50 ~ 20 kw容量的成套设备，有10多台在实际运营中，其中13台已提前达到商业化耐用性目标，累计运行超过4 万小时。磷酸型燃料电池现已用于商业阶段，在不久的将来可以说是我们常见的燃料电池。此外，燃料电池发电设备的制造成本也比开发阶段明显减少，如果条件完备能够理想运行的话， 在燃料电池发电设备的产品寿命之内， 就可把投资全部收回。

但是，为在今后能真正达到普及，大致在2个方向上推进是比较重要的。其一：要批量生产以便促进成本降低; 另一个是：活用燃料电池的特性，利用它新创造的附加值，促进它把新的用途引人市场。

工作原理磷酸燃料电池是一种将氢气(燃料气体)和氧气(空气)反应时的化学能直接、连续地转换成电 能的电化学装置。在该电池装置中，氢气和氧气 分别输送阳极和阴极，在电极、电解质和反应气体之间建立的三相界面处分别进行氧化、还原反应。

阳极：

H2→ 2+ 2e

阴极：

O2+ 4+ 4e→ 2H2O

总反应：

O2+ 2H2→ 2H2O

电极通过电解质和外电路形成导电回路。 因此，电极除具备较大的电子导电能力外，还 具备多孔性以利于气体扩散， 而电解质除具有较 大的离子导电能力和较低的电子导电能力外， 还 应是一个良好的物理隔离层。 反应气体在燃料电池的装置中可直接和连续 地化学反应的自由焓改变转换成直流电 能，而且能量转换的理论效率为 83%（标准状态），其次，磷酸燃料电池的产物为洁净水，因而不会污染大气，危害生态环境1。

用途开发燃料电池本来是以氢气为燃料发电的装置。但在氢燃料供给设备不完备的情况下， 可以把市场上的城市煤气（ 沼气）或液化煤气等经改性器转换成氢气用于发电。代替这些燃料的是把现尚未被利用的、被舍弃的食品废水，下水污泥等净化后得到沼气，或是把工业废弃物作为能源重新加以利用，就会形成一个在环境改善、节省资源、经济性等多方面有效的系统2。

甲烷发酵气( 生物气体) 的应用我们把食品废水、生活垃圾、下水道污泥等经厌氧处理后， 所产生的甲烷发酵气称为消化气体或称生物气体。60% 一70%的甲烷气体和二氧化碳气体混合，使其成为低位发热量（22 一25 M J// N）的气体，由于条件不同它的发热量也会改变。从这些生物气体燃料的稳定性、排气性来看，通常用于锅炉或发热装置是很难充分利用的，但是通过化学反应用于燃料电池的发电是比较容易的。

可依赖性高的电源燃料电池发电设备， 是用变流器控制， 把从电池得到的直流电变成交流电的一种方式，从而使得与系统同期。可容易并快速得到从联系系统运转到独立运转或从独立运转到联立系统运转进行切换。本系统活用这一特性， 使得电源系统提供给重要负荷连续的电力。

把从燃料电池发电系统设备得到的直流电借助于变流器， 转换成交流电。一方面，为电力系统及与这一系统连接的一般负荷提供电力。另一方面，也为重要负荷连续提供电力。如果系统中某处发生异常， 高速开关可以在短时间内从联系系统运转切换到独立运转， 继续给重要负荷提供电力。另外，万一燃料电池停止的话，也可以通过备用设备不间断地提供给系统到负荷的电力。

高品质可信赖电力系统上述的可信赖的电源系统附加了通过燃料电池发电设备的变流器控制一定电压、一定频率的高质量电力供给功能和无间断切换功能`。以往为了确保给重要负荷供给稳定电源， 采用了USP（无停电电源装置）与用于长时间的电力供给紧急用的发电机相配合的电源供电系统。与其具有同等机能， 并且运行成本与以往的U PS 相比， 它作为有利的电源供给系统， 开发出如图1所示的高品质、可信赖的电力供给系统。

引入实例用于食品工厂的适用例把啤酒厂排出的有机废水经过甲烷气体发酵槽净化后，产生生物气体，经过前处理装置、缓冲罐，提供给燃料电池发电设备。前处理装置是为了维持燃料电池发电设备内部的机器性能，除去包括生物气体中的不纯物质的装置。不纯物质一般指硫化氢（通常100pm 等级）及微量的盐类、氨等。可实际上，由于测点及每种废液的成分、含量不同，前处理装置需适应各种条件而进行最优化设计。

燃料电池的发电设备，是从约80 /h的生物气体产生20kw的电力和740MJ/h 的热量。电在工厂系统内被使用，热在工厂内作为热源被加以利用。由于本系统的引人可以减少使用电力的6% 及石油燃料的2%。

污水处理的适用例通过消化气体（从下水污泥中得到的甲烷发酵气）开发出燃料电池的发电系统。用于20kw 燃料电池发电设备，可以应用500h，已得到实际验证，而且证实了用约60% 的甲烷气体额定发电运行的稳定性、耐久性。基于这一成果， 日本最初的消化气体燃料电池实用机于1999年11月已纳入横滨市北部污泥处理中心使用，现仍处于良好运转之中。

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学