磷酸燃料電池

關(guān)于磷酸燃料電池

氫能被提上人類未來能源的議程是大勢所趨。眾所周知，當今世界，為了解決能源短缺、環(huán)境污染日益嚴重和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展等問題，潔凈的新能源和可再生能源的開發(fā)已是迫在眉睫。對我國來說，交通運輸?shù)哪芎乃急戎赜鷣碛?，與此同時，汽車尾氣污染已經(jīng)成為大氣污染特別是城市大氣污染的最重要因素。

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由此可以看出，尋找新的潔凈能源無論對整個世界還是對我國的可持續(xù)發(fā)展都有著特別重要的意義。

氫能作為一種潔凈的可再生能源，同時又具有可儲可輸?shù)奶攸c，從長遠上看，它的發(fā)展可能帶來能源結(jié)構(gòu)的重大改變，而在目前它是一種理想的低污染或零污染的車用能源，國際上公認在不遠的將來氫燃料汽車將是解決城市大氣污染的最重要途徑之一。因此，氫能作為解決當前人類所面臨困境的新能源而成為各國大力研究的對象便是情理之中的事了。第3頁,共43頁，2024年2月25日，星期天氫能開發(fā)，大勢所趨氫是自然界中最普遍的元素，資源無窮無盡－不存在枯竭問題氫的熱值高，燃燒產(chǎn)物是水－零排放，無污染

，可循環(huán)利用氫能的利用途徑多－燃燒放熱或電化學發(fā)電氫的儲運方式多－氣體、液體、固體或化合物第4頁,共43頁，2024年2月25日，星期天氫氣利用與燃料電池①氫像電一樣可以從任何能源中得到，包括可再生的能源；②氫可以由電獲得并以相對高的效率轉(zhuǎn)換成電，一些由太陽能直接得到氫的技術(shù)已經(jīng)成功；③獲取氫的原材料是水，資源豐富，由于氫使用后的產(chǎn)物是純水或水蒸氣，因此氫是完全可再生的燃料；④氫可以以氣態(tài)（便于大規(guī)模儲存）、液態(tài)（便于航空航天應(yīng)用）或以金屬氫化物（便于機動車和別的相對小的規(guī)模儲量需求）形式儲存；⑤氫能夠借助于管道和鋼瓶進行長距離運輸（大多數(shù)情況下比電更經(jīng)濟和有效）；⑥氫可通過催化燃燒、電化學轉(zhuǎn)換和氫化物，比任何其他燃料有更多的方法和更高的效率轉(zhuǎn)換成為其他形式的能源；⑦氫是對環(huán)境無害的能源。第5頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

氫能“喝”氫的汽車第6頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第8頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

燃料電池的概念是由蒙德(Mond)和萊格(Langer)于1889年首先提出來的。就在這時內(nèi)燃機問世了，內(nèi)燃機的發(fā)明使人們對燃料電池的興趣推遲了60年。

1959年培根研制成功氫氧燃料電池，他對燃料電池的研究工作，奠定了燃料電池發(fā)展的基礎(chǔ)。20世紀60年代，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，美國對培根氫氧燃料電池進行了改進，并分別于1965年和1966年成功的將其應(yīng)用于雙子星座和阿波羅飛船上，為其提供電力。

20世紀70年代，因中東戰(zhàn)爭導致兩次世界性石油危機，80年代美國、加拿大、日本和歐洲等的世界發(fā)達國家投入大量人力和財力研究開發(fā)燃料電池，在90年代燃料電池實現(xiàn)燃料技術(shù)上的真正突破，佳能、松下、三星、東芝都發(fā)布了自己的產(chǎn)品，燃料電池進入了應(yīng)用階段。燃料電池第9頁,共43頁，2024年2月25日，星期天由于它是把燃料通過化學反應(yīng)釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵?，所以被稱為燃料電池。它是利用氫和氧生成水的過程來產(chǎn)生電力的一種裝置。燃料電池：被稱為連續(xù)電池，它在等溫條件下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。燃料電池在反?yīng)過程中不涉及燃燒，能量交換效率不受卡諾循環(huán)的限制。工作原理:通過物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)時連續(xù)地向其供給活物質(zhì)(起反應(yīng)的物質(zhì))--燃料和氧化劑,促使物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)時釋出的能量直接將其轉(zhuǎn)換為電能。第10頁,共43頁，2024年2月25日，星期天具體地說，燃料電池是利用水的電解的逆反應(yīng)的"發(fā)電機"。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質(zhì)板所組成。工作時向負極供給燃料(氫H2)，向正極供給氧化劑(空氣O2)。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應(yīng)的逆過程。燃料電池的用途:

電動車交通工具（動力車及軍艦等）,便攜式電源、發(fā)電廠及工作電站等第11頁,共43頁，2024年2月25日，星期天燃料電池的應(yīng)用1、軍事上的應(yīng)用軍事應(yīng)用應(yīng)該是燃料電池最主要，也是最適合的市場。高效，多面性，使用時間長，以及寧靜的工作，這些特點極適合于軍事工作對電力的需要。燃料電池可以以多種形態(tài)為絕大多數(shù)軍事裝置，從戰(zhàn)場上的移動手提裝備到海陸運輸提供動力。在軍事上，微型燃料電池要比普通的固體電池具有更大的優(yōu)越性，其增長的使用時間就意味著在戰(zhàn)場上勿需麻煩的備品供應(yīng)。此外，對于燃料電池而言，添加燃料也是輕而易舉的事情。同樣，燃料電池的運輸效能能極大地減少活動過程中所需的燃料用量，在進行下一次加油之前，車輛可以行駛得更遠，或在遙遠的地區(qū)活動更長的時間。這樣，戰(zhàn)地所需的支持車輛、人員和裝備的數(shù)量便可以顯著的減少。自20世紀80年代以來，美國海軍就使用燃料電池為其深海探索的船只和無人潛艇提供動力。第12頁,共43頁，2024年2月25日，星期天2、移動裝置上的應(yīng)用伴隨燃料電池的日益發(fā)展，它們正成為不斷增加的移動電器的主要能源。微型燃料電池因其具有使用壽命長，重量輕和充電方便等優(yōu)點，比常規(guī)電池具有得天獨厚的優(yōu)勢。如果要使燃料電池能在膝上型電腦，移動電話和攝錄影機等設(shè)備中應(yīng)用，其工作溫度，燃料的可用性，以及快速激活將成為人們考慮的主要參數(shù)，目前大多數(shù)研究工作均集中在對低溫質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池的改進。正如其名稱所示，這些燃料電池以直接提供的甲醇-水混合物為基礎(chǔ)工作，不需要預(yù)先重整。使用甲醇，直接甲醇燃料電池要比固體電池具有極大的優(yōu)越性。其充電僅僅涉及重新添加液體燃料，不需要長時間地將電源插頭插在外部的供電電源上。當前，這種燃料電池的缺點是用來在低溫下生成氫所需的白金催化劑的成本比較昂貴，其電力密度較低。如果這二個問題能夠解決，應(yīng)該說沒有什麼問題能阻擋它們的廣泛應(yīng)用了。目前，美國正在試驗以直接甲醇燃料電池為動力的移動電話，而德國則在實驗以這種能源為動力的膝上型電腦。第13頁,共43頁，2024年2月25日，星期天3、居民家庭的應(yīng)用對于固定應(yīng)用而言，設(shè)計燃料電池的技術(shù)困難就簡化得多了。盡管許多燃料電池能生產(chǎn)50kW的電能，但絕大部分商業(yè)化的燃料電池目前都是用于固定的?，F(xiàn)在，許多跡象表明，燃料電池也可用語人們稱做的居民應(yīng)用（大都小于50kW）。低溫質(zhì)子交換膜燃料電池或磷酸燃料電池幾乎可以滿足私人居戶和小型企業(yè)的所有熱電需求。目前，這些燃料電池還不能供小型的應(yīng)用，美國，日本和德國僅有少量的家庭用質(zhì)子交換膜燃料電池提供能源。質(zhì)子交換膜燃料電池的能源密度比磷酸燃料電池大，然而后者的效率比前者高，且目前的生產(chǎn)成本也比前者便宜。這些燃料電池應(yīng)該能夠為單個私人居戶或幾家居戶提供能源，通過設(shè)計可以滿足居民對能源的所有要求，或者是他們的基本負載，高峰時的需求由電力網(wǎng)提供。為了有利于該技術(shù)的應(yīng)用，可以用天然氣銷售網(wǎng)作為氫燃料源。當前，許多生產(chǎn)商預(yù)測在不久的將來便會出現(xiàn)其它燃料源泉，這有助于進一步降低排放，加速燃料電池進入新的理想市場。新近進入固定燃料電池市場的廠家是汽車大亨GeneralMotors，她于2001年8月成功地開發(fā)了一種產(chǎn)品。第14頁,共43頁，2024年2月25日，星期天4、空間領(lǐng)域的應(yīng)用在20世紀50年代后期和60年代初期，美國政府為了替其載人航天飛行尋找安全可靠的能源，對燃料電池的研究給于了極大的關(guān)心和資助，使燃料電池取得了長足的進步。重量輕，供電供熱可靠，噪聲輕，無震動，并能生產(chǎn)飲用水，所有這些優(yōu)點均是其它能源不可比擬的。GeneralElectric生產(chǎn)的Grubb-Niedrach燃料電池是NASA用來為其Gemini航天項目提供動力的第一個燃料電池，也是第一次商業(yè)化使用燃料電池。從20世紀60年代起，飛機制造商Pratt&Whitney贏得了為阿波羅項目提供燃料電池的合同。Pratt&Whitney生產(chǎn)的燃料電池是基于對Bacon專利的堿性燃料電池的改進，這種低溫燃料電池是最有效的燃料電池。在阿波羅飛船中，三組電池可產(chǎn)生1.5kW或2.2kW電力，并行工作，可供飛船短期飛行。每組電池重約114kg，裝填有低溫氫和氧。在18次飛行中，這種電池共工作10，000小時，未發(fā)生一次飛行故障。在20世紀80年代航天飛機開始飛行時，Pratt&Whitney的姊妹公司國際燃料電池公司繼續(xù)為NASA提供航天飛機使用的堿性燃料電池。飛船上所有的電力需求由3組12kW的燃料電池存儲器提供，勿需備用電池。國際燃料電池公司技術(shù)的進一步發(fā)展使每個飛船上使用的燃料電池存儲器能提供約等于阿波羅飛船上同體積的燃料電池十倍的電力。以低溫氫和氧為燃料，這種電池的效率為70%左右，在截至現(xiàn)在的100多次飛行中，這種電池共工作了80，000多個小時。第15頁,共43頁，2024年2月25日，星期天5、固定的應(yīng)用目前，燃料電池開發(fā)得最完善的市場要數(shù)熱電的固定提供源市場。與傳統(tǒng)的礦物燃料相比，燃料電池的高效和低排放量使其對用戶具有極大的吸引力。此外，燃料電池技術(shù)的獨立性對于那些國家電網(wǎng)不能覆蓋，或國家電網(wǎng)不夠穩(wěn)定而需要備用電力設(shè)備的地區(qū)而言，這種能源具有特殊的意義。鑒于這種電池的工作溫度可低達80℃，它們可安裝在私人家庭，小型的商業(yè)活動場所，甚至滿足大型企業(yè)活動的所有能源需求。截至目前為止，可以說現(xiàn)在的燃料電池生產(chǎn)商的注意力均集中于非居民的應(yīng)用。當前唯一提供商業(yè)化燃料電池的國際燃料電池公司已在學校、辦公室和銀行設(shè)施安裝了200多個磷酸燃料電池裝置。在不久的將來，諸如溶化的碳酸鹽燃料電池和固態(tài)氧化物燃料電池等高溫燃料電池也將用于大型的工業(yè)設(shè)施和兆瓦級的發(fā)電廠。當工作溫度上升到600-1100℃時，這種高溫燃料電池可以耐受氫污染源，因此可以使用未加重整的天然氣，柴油，或汽油。此外，它們所產(chǎn)生的熱能還可用來驅(qū)動增器蒸氣氣輪機再進行發(fā)電。第16頁,共43頁，2024年2月25日，星期天6、運輸上的應(yīng)用以內(nèi)燃機提供動力的汽車已成為有害氣體排放的主要排放源，在世界各個國家和地方機構(gòu)都在立法強迫汽車制造商生產(chǎn)能極大限度地降低排放的車輛，燃料電池可為這種要求帶來實質(zhì)的機遇。位于Alberta的Pembina適當設(shè)計研究所指出：當一輛小車使用以天然氣重整的氫為燃料的燃料電池，其二氧化碳的排放量可以減少高達72%。，驅(qū)動車輛的燃料電池必須能迅速地達到工作溫度，具有經(jīng)濟上的優(yōu)勢，并能提供穩(wěn)定的性能。質(zhì)子交換膜燃料電池最有條件滿足這些要求，其工作溫度交低，80℃左右，它們能很快地達到所需的溫度。由于能迅速地適應(yīng)各種不同的需求，與內(nèi)燃機的效率25%左右相比，它們的效率可高達60%?，F(xiàn)在，大多數(shù)車輛生產(chǎn)商視質(zhì)子交換膜燃料電池為內(nèi)燃機的后繼者，GeneralMotors,Ford,DaimlerChrysler,Toyota,Honda，以及其他許多公司都已生產(chǎn)出使用該技術(shù)的原型。運用不同車輛和使用不同地區(qū)的試驗進展順利，用質(zhì)子交換膜燃料電池為公共汽車提供動力的試驗已在溫哥華和芝加哥取得成功。德國的城市也進行了類似的試驗，明后二年（2002-2003），還有另外十個歐洲城市也將在公共汽車上進行試驗，倫敦和加利福尼亞也將計劃在小型車輛上進行試驗。在生產(chǎn)商能夠有效地，大規(guī)模地生產(chǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池之前，需要解決的主要問題包括生產(chǎn)成本，燃料質(zhì)量，以及電池的體積。但愿技術(shù)的進一步發(fā)展和擴大生產(chǎn)的共同作用將會運用經(jīng)濟的規(guī)模性而降低生產(chǎn)成本。目前，人們也在對直接使用甲醇為燃料和從環(huán)境空氣中取得氧的另一解決方案進行研究，它也可以避免燃料的重整過程。第17頁,共43頁，2024年2月25日，星期天燃料電池必須同時要滿足以下功能：①物質(zhì)、能量平衡，從電池外部提供的燃料和氧化劑（空氣），在發(fā)電的同時連續(xù)地排出生成水合二氧化碳等氣體，即所謂的物質(zhì)移動-供給功能；②燃料電池的基本結(jié)構(gòu)，為了防止易燃、易爆有危險的燃料和氧化劑混合、泄露，應(yīng)有分離、密封功能，為了分離燃料和氧化劑兩種物料，需要有隔離機能，平板型、圓筒型電池和電堆的結(jié)構(gòu)具有這種功能；③電連接，各電池在低損失時應(yīng)有連接已發(fā)生電力的輸出功能和燃料電池的直流電轉(zhuǎn)變成交流電的功能；④熱平衡，為了保持燃料電池一定溫度，需要具有溫度控制和冷卻功能以及利用聯(lián)合發(fā)電的排熱功能；⑤適用的燃料，在燃料電池的電極反應(yīng)上，供給的燃料能變換成富氫氣燃料的改質(zhì)功能；⑥最優(yōu)化，為使氣態(tài)燃料和氧化劑發(fā)生很好的電極反應(yīng)，電極應(yīng)有一定功能。保持良好電池特性的三相界面的多孔質(zhì)電極結(jié)構(gòu)和催化劑、溫度、壓力影響以及電池內(nèi)濃度變化和電池特性的最佳化。第18頁,共43頁，2024年2月25日，星期天燃料電池的特點

燃料電池的特點是能量轉(zhuǎn)換率高，它的能效達到60%~70%，遠高于熱機和發(fā)電機的效率；環(huán)境友好，對于氫燃料電池，發(fā)電后的產(chǎn)物只有水；工作安靜；方便使用；燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由配置合理的電池組構(gòu)成，可實現(xiàn)工廠生產(chǎn)模塊，電站安裝，更換方便；適用性強，燃料電池的燃料多種多樣，如氫氣、煤氣、天然氣、甲醇和汽油，燃料電池供電范圍廣，可根據(jù)需求建立大中小型電站，也可以制成攜帶式電源。第19頁,共43頁，2024年2月25日，星期天燃料電池的類型目前燃料電池主要按電解質(zhì)的性質(zhì)劃分為五大類：①堿性燃料電池（alkalinefuelcell），簡稱AFC；②質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell），簡稱PEMFC；③磷酸燃料電池（phosphorousacidfuelcell），簡稱PAFC；④熔融碳酸鹽燃料電池（moltencarbonatefuelcell），簡稱MCFC；⑤固體氧化物燃料電池（solid-oxidefuelcell），簡稱SOFC。第20頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

燃料電池介紹燃料電池類型堿性燃料電池磷酸燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池英文簡稱AFCPAFCPEMFCMCFCSOFC電解質(zhì)氫氧化鉀溶液磷酸質(zhì)子滲透膜碳酸鉀固體氧化物燃料純氫天然氣，氫氫，甲醇，天然氣天然氣，煤氣，沼氣天然氣，煤氣，沼氣氧化劑純氧空氣空氣空氣空氣效率/%60~9037~4243~58>5050~65使用溫度/℃60~120160~22060~120600~1000600~1000第21頁,共43頁，2024年2月25日，星期天燃料電池是化學能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種動力設(shè)備燃料電池的基本反應(yīng)步驟：1:反應(yīng)物向燃料電池內(nèi)部傳遞2:電化學反應(yīng)3:離子傳導以及電子傳導4:產(chǎn)物排出第22頁,共43頁，2024年2月25日，星期天3.磷酸型燃料電池（PAFC）

PAFC是一種以磷酸為電解質(zhì)的燃料電池。PAFC采用重整天然氣作燃料，空氣做氧化劑，浸有濃磷酸的SiC微孔膜作電解質(zhì)，Pt/C作催化劑，工作溫度200℃。PAFC產(chǎn)生的直流電經(jīng)過直交變換后以交流電的形式供給用戶。PAFC是目前單機發(fā)電量最大的一種燃料電池。50~200kW功率的PAFC可供現(xiàn)場應(yīng)用，1000kW功率以上的PAFC可應(yīng)用于區(qū)域性電站。目前在美國、加拿大、歐洲和日本建立的大于200kW的PAFC的電站已運行多年，4500kW和11000kW的電站也開始運行。PAFC的主要技術(shù)突破是采用炭黑和石墨作電池的結(jié)構(gòu)材料。至今還未發(fā)現(xiàn)除炭材外的任何一種材料不但具有高的電導，而且在酸性條件下具有高的抗腐蝕能力和低費用。因此可以說，采用非炭材、制備費用合理的酸性燃料電池是不可能的。第23頁,共43頁，2024年2月25日，星期天3.1PAFC的工作原理第24頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第25頁,共43頁，2024年2月25日，星期天3.2PAFC關(guān)鍵材料電催化劑

PAFC采用Pt/C電催化劑，其技術(shù)關(guān)鍵為在高比表面積的炭黑上擔載納米級高分散的Pt微晶。鉑源一般采用氯鉑酸，按制備路線可分為兩類不同方法：一是先將氯鉑酸轉(zhuǎn)化為鉑的絡(luò)合物，再由鉑的絡(luò)合物制備高分散Pt／C催化劑；二是從氯鉑酸的水溶液出發(fā)，采用特定的方法制備納米級高分散的Pt/C電催化劑?；钚噪姶呋瘎┿K是擔載在碳材料上的，碳材料在PAFC工作條件下是相對穩(wěn)定的。作為電催化劑的擔體，必須具有高的化學與電化學穩(wěn)定性、良好的電導、適宜的孔分布、高的比表面積以及低的雜質(zhì)含量。在各種碳材料中，僅有無定形的炭黑具有上述性能。目前廣泛使用的用作Pt/C催化劑擔體的炭黑是Cabot公司由石油生產(chǎn)的導電型電爐黑VulcanXC-72。為提高擔體的抗腐蝕性能，可在惰性氣氛下，高溫處理碳材料增加炭材長程有序度，如VulcanXC-72經(jīng)過這種處理其抗腐蝕性大為改善。（1）電極材料電極材料包括載體材料和催化劑材料。催化劑附著于載體表面，載體材料要求導電性能好、比表面積高、耐腐蝕和低密度。第26頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

在PAFC的工作條件下，納米級鉑微晶電催化劑中鉑的表面積會逐漸減小，除因磷酸電解質(zhì)和空氣中雜質(zhì)和磷酸本身與陰離子在鉑表面吸附結(jié)塊導致鉑的有效活性表面積減少外，主要是由鉑溶解－再沉積和鉑在炭載體表面遷移和再結(jié)晶引起的。另外，由于鉑微晶與炭載體之間的結(jié)合力很小，小的鉑微晶可經(jīng)炭表面遷移、聚合，生成大的鉑微晶導致鉑表面積下降。為防止因鉑微晶的溶解和遷移、聚合導致鉑表面積損失，人們想辦法將鉑錨定在炭載體上。一是用CO處理Pt/C催化劑，因CO裂解沉積在鉑微晶周邊的炭起錨定鉑微晶的作用；二是引入合金元素與鉑形成合金，增大鉑與炭的結(jié)合力，同時增加波的電催化活性。第27頁,共43頁，2024年2月25日，星期天（2）電解質(zhì)材料PAFC的電解質(zhì)是濃磷酸溶液。磷酸在常溫下導電性小，在高溫下具有良好的離子導電性，所以PAFC的工作溫度在200℃左右。磷酸是無色、油狀且有吸水性的液體，它在水溶液中可離析出導電的氫離子。濃磷酸（質(zhì)量分數(shù)為100%）的凝固點是42℃，低于這個溫度使用時，PAFC的電解質(zhì)將發(fā)生固化。而電解質(zhì)的固化會對電極產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損傷，電池性能會下降。所以PAFC電池一旦啟動，體系溫度要始終維持在45℃以上。第28頁,共43頁，2024年2月25日，星期天（3）隔膜材料PAFC的電解質(zhì)封裝在電池隔膜內(nèi)。隔膜材料目前采用微孔結(jié)構(gòu)隔膜，它由SiC和聚四氟乙烯組成，寫作SiC-PTFE。新型的SiC-PTFE隔膜有直徑極小的微孔，可兼顧分離效果和電解質(zhì)傳輸。設(shè)計隔膜的孔徑遠小于PAFC采用的氫電極和氧電極（采用多孔氣體擴散電極）的孔徑，這樣可以保證濃磷酸容納在電解質(zhì)隔膜內(nèi)，起到離子導電和分隔氫、氧氣體的作用。隔膜與電極緊貼組裝后，當飽吸濃磷酸的隔膜與氫、氧電極組合成電池的時候，部分磷酸電解液會在電池阻力的作用下進入氫、氧多孔氣體擴散電極的催化層，形成穩(wěn)定的三相界面。

第29頁,共43頁，2024年2月25日，星期天（4）雙極板材料雙極板的作用是分隔氫氣和氧氣，并傳導電流，使兩級導通。雙極板材料是玻璃態(tài)的碳板，表面平整光滑，以利于電池各部件接觸均勻。為了減少電阻和熱阻，雙極板材料非常薄。要求：足夠的氣密性，以防止反應(yīng)氣體的滲透；在高溫高壓及磷酸中化學性能穩(wěn)定性；良好的導電電熱能力；足夠的機械強度。在1000-2000度對熱固樹脂（如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂）碳化制得的玻璃化碳強度高、氣密性好。第30頁,共43頁，2024年2月25日，星期天3.2.2電極結(jié)構(gòu)與制備工藝1）電極結(jié)構(gòu)

PAFC采用的電極與AFC一樣，均屬多孔氣體擴散電極。為提高鉑的利用率、降低鉑載量，開發(fā)了PAFC專用電極。該電極分為三層：第一層：疏水碳紙通常稱支撐層浸入40%~50%的聚四氟乙烯乳液后，孔隙率降至60%左右，平均孔徑為12.5

m。支撐層的厚度為0.2~0.4mm，它的作用是支撐催化層，同時起收集和傳導電流的作用。第二層：整平層（擴散層

）為便于在支撐層上制備催化層，在炭紙表面制備一層由X-72型炭和50%聚四氟乙烯乳液組成的混合物，厚度為1~2

m。第三層：催化層在擴散層上覆蓋由鉑/炭電催化劑+聚四氟乙烯乳液（30%~50%）的催化層，厚度約50

m。一般而言，電極制備好后須經(jīng)過滾壓處理，壓實后在320－340度燒結(jié)，以增強電極防水性。2）制備工藝擴散層：碳紙PTFE浸泡法整平層與催化層：噴涂法或刮膜法（類似于鋰離子電池極片拉漿）第31頁,共43頁，2024年2月25日，星期天3）雙極板

PAFC的雙極板材料采用復(fù)合碳板。復(fù)合碳板分三層，中間為無孔薄板，兩側(cè)為多孔碳板。作為PAFC的雙極板，最重要的性能是它的比電導、與電極之間的接觸電阻和在電池工作條件下的穩(wěn)定性。20世紀80年代，采用鑄模工藝由石墨粉和酚醛樹脂制備帶流場的雙極板。對模鑄雙極板，其性能由石墨粉粒度分布、樹脂類型與含量、模鑄條件與焙燒溫度等決定。第32頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

圖3－1磷酸型燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖3.3PAFC結(jié)構(gòu)與電池組第33頁,共43頁，2024年2月25日，星期天1）電池密封電池密封分兩個部分：一是每節(jié)電池氧化劑與燃料相鄰兩個周邊的密封；二是燃料腔與空氣相鄰兩個周邊的密封和外共用管道與電池組的密封。對于干裝電池，可將碳化硅隔膜需密封邊浸入氟密封膠，并使其滲入隔膜內(nèi)部，完成隔膜阻氣和實現(xiàn)與雙極板之間的密封。而對濕裝電池（預(yù)先將濃磷酸浸入碳化硅隔膜），濃磷酸即可起密封作用。外用管道與電池組間的密封一般采用Viton橡皮做密封墊，該橡皮在PAFC工作溫度下具有輕微流動性，有助于實現(xiàn)外共用管道與電池組間密封。2）電介質(zhì)管理

PAFC用碳化硅薄膜厚度較小，貯存的磷酸有限，在電池長時間運行過程中，由于磷酸揮發(fā)和電池材料腐蝕等原因?qū)е铝姿釗p失，不但影響電池性能，嚴重時還會引起燃料與氧化劑互竄。為確保PAFC的炭化硅薄膜有充足的磷酸，以發(fā)展了兩種技術(shù)：一是預(yù)先將酸貯存在電池內(nèi)，靠燈芯將酸導至膜電極組件中；二是在電池組內(nèi)加蓄酸板，實現(xiàn)磷酸的補充和當酸體積改變是防止酸流失。第34頁,共43頁，2024年2月25日，星期天3.4影響PAFC性能的因素1）溫度熱力學分析角度看，升高電池的工作溫度，會使電池的可逆電位下降。但升高溫度會加速傳質(zhì)和電化學反應(yīng)速率，減少活化極化、濃差極化和歐姆極化?？傮w上升溫會改善電池性能，PAFC的工作溫度為200℃。2）氣體壓力熱力學分析表明，電池反應(yīng)氣體的工作壓力會提高可逆電池的電壓；從動力學角度看，升高壓力會增加氧化還原的電化學反應(yīng)速率，氧還原的速率與氧的壓力成正比。升高壓力會減少歐姆極化。

3）反應(yīng)氣體組成PAFC的燃料氣對雜質(zhì)有相當高的要求，以富氫氣體為例，富氫氣體中的CO會造成催化劑鉑中毒和氫電極極化，要求CO的濃度范圍控制在1%（工作溫度為190℃時），富氫氣體中的H2S氣體的最高體積分數(shù)為2