В этом типе топливных элементов в качестве электролита используется концентрированная фосфорная кислота в тефлоновой матрице карбида кремния (SiC). Еще несколько лет тому назад использовались только разбавленные кислоты, что связано с агрессивностью кислотных сред.  Разработка новых коррозионно-стойких материалов позволила работать с концентрированными кислотами, обладающими повышенной величиной проводимости электролита. В этих топливных элементах используются те же электроды, что и в PEMFC топливных элементах, то есть содержащие платину углеродные электроды. Однако в этих топливных элементах требуется более высокая концентрация платины на катоде чем, на аноде. Для работы с риформированным водородом в дополнение к платине на аноде используется также рутений (Ru). Наличие рутения приводит к более легкому окисления моноокиси углерода. Так как в качестве топлива используется водород (или риформированные углеводороды) и воздух, то электрохимические реакции, происходящие на электродах, имеют тот же самый вид, что и в PEMFC топливных элементах:

Анодное окисление водорода:

H₂ 2H⁺ + 2e^-

Катодное восстановление кислорода:

½O₂ + 2H⁺ + 2e^- H₂O

Суммарная PAFC реакция:

H₂ + ½O₂ H₂O 

Топливные элементы  PAFC работают при температурах порядка 200°С, что означает, что они менее чувствительны по сравнению с PEMFC топливными элементами к такой примеси как СО.  Однако это не означает, что ископаемые топлива могут быть непосредственно использованы в этих топливных элементах. Здесь также требуется осуществлять предварительно процесс риформинга топлива. Содержание СО в таком топливе также должно быть снижено до концентраций ниже 3-5об. %, чтобы предотвратить влияние на катализатор. В силу более высокой рабочей температуры величина избыточного тепла здесь также выше, чем в низкотемпературных топливных элементах. Следовательно, оказывается возможным  одновременное производство и тепла и электричества. Схожесть основных принципов работы PAFC  и PEMFC топливных элементов приводит и к подобию их отдельных компонентов.

100 квт Fuji-Electric.

UTC топливный элемент Onsi PC25

Toshiba-UTC PC25.

Регулирование потоков воды в этих топливных элементах оказывается еще более важной проблемой, чем  в PEMFC топливных элементах, так как здесь используется жидкий электролит. При таких рабочих температурах становится трудно сохранять воду в элементе.  При использовании концентрированных кислот эта проблема решается проще. Из-за низкой температуры замерзания фосфорной кислоты (40-50°С) время старта в этих топливных элементах больше чем в PEMFC элементах. Кроме того, фосфорная кислота является плохим ионным проводником при низких температурах. По этой причине отравление платинового электрокатализатора на аноде представляет собой более тяжелую проблему. К основным достоинствам фосфорно-кислотных топливных элементов можно отнести простоту конструкции, термическую, химическую и электрохимическую стабильность и низкую упругость паров электролита (то есть, нет проблем с СО₂ в топливе). По сравнению с другими топливными элементами фосфорно-кислотные топливные элементы обладают более низкой плотностью мощности, и они достигают только 37-42% электрической эффективности (в перерасчете на природный газ). Это близко к нижнему пределу КПД угля на электростанциях на топливных элементах.

Описание системы топливного элемента PAFC фирмы ONSI-Toshiba.

Из всех известных типов топливных элементов PAFC топливные элементы ближе всех к коммерческому использованию. Они используются главным образом в стационарных электростанциях, но также устанавливаются на большие транспортные средства, такие как городские автобусы.  Большое число таких электростанций  уже работают во всем мире, производя электричество, тепло и горячую воду. Наиболее известной является система  ONSI PC25 фирмы UTC Fuel Cells, обладающая 200 кВт электрической мощности и 220 кВт тепловой мощности. Свыше 200 таких систем уже установлены в разных странах мира. UTC Fuel Cells работает в кооперации с фирмами Toshiba и Ansaldo в распространении и развитии этих систем. Самой большой электростанцией на топливных элементах, установленной к настоящему времени, является 11 мегаваттная станция на PAFC в Японии.

Copyright © 2004-2005 Fuel Cell Norway ANS