第五章燃料电池之磷酸燃料电池-3

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（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。

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。