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利用*佳濕化*大程度提高燃料電池的效率和壽命

利用*佳濕化*大程度提高燃料電池的效率和壽命

文章來源:vaisala


“維薩拉濕度傳感器在我們的研究中很有幫助。了解反應氣體的濕度對于低溫和高溫燃料電池都很重要?!?span>Mikko Kotisaari,VTT 燃料電池研究科學家

制氫是一個不斷增長的巨大產業。氫經濟被認為是未來低碳經濟的重要組成部分,它*終將替代礦物燃料成為我們的主要能源來源并緩解全球變暖趨勢。氫的一個主要優勢是適用于多種不同的燃料電池應用場合。

使用燃料電池技術的應用可以分為三大類:便攜式發電(用于移動設備和便攜式輔助電源)、固定發電(分布式發電、備用電源和并網電站)以及運輸領域(汽車、公共交通和重型機械)。市場增長的一個重要驅動因素是汽車行業,目前在進行密集加緊研究,旨在推動燃料電池技術在汽車市場的應用。

工作原理

燃料電池直接將化學能轉換為電能,不經過任何燃燒過程。燃料電池的工作原理基于氧化還原反應。在氫和氧發生反應時釋放能量。這個直接過程具有高能效的優勢(效率超過 50%),如果產生的熱能也被回收,效率可達到 85%。從發電角度來看,它超過了任何燃燒過程的效率。其他優勢還包括工作場所零排放、靜音工作等。

每種燃料電池技術都有自身的優勢和不足。當今市場上的三大技術是按質子載體介質來區分的:聚合物電解質膜 (PEM)、固體氧化物 (SO) 和熔融碳酸鹽 (MC)。從應用角度看,其中 PEM 技術是*通用的,因為它的工作溫度低 (<100 °C),這使得它同時適用于小型和大型燃料電池。固體氧化物燃料電池涉及高溫,*適合較大型應用,如分布式發電。但是 PEM燃料電池是純氫電池,SOFC 燃料電池則可以使用天然氣或其他碳氫化合物,在重整過程中從這些物質中提取氫。SOFC 燃料電池的工作溫度高,這樣更易于將重整階段整合到燃料電池裝置。

1 中描述了 PEM 燃料電池的工作原理。氫燃料在陽極被分解為質子(氫離子)和電子時,通過外部電路將電子運輸到陰極,從而產生電流。通過陰極的濕膜運輸正電荷載體(氫原子核),在陰極氫原子核與氧反應生成水。此反應會產生電流和熱量。

1PEM 燃料電池的工作原理。在催化劑作用下氫燃料在陽極發生反應,形成電子和氫原子核。這些核通過電荷載體介質被運輸到陰極,在陰極與氧反應生成水。電子流過外部電路,產生電流。

*大程度提高燃料電池的效率

燃料電池的效率受限于各種損耗:催化反應和催化劑狀況引起的活性損耗,在質子運輸期間運輸介質中發生的歐姆損耗,到反應表面的質量傳遞速度受限制導致的濃度損耗,以及當燃料在膜中擴散而不發生反應時導致的內部電流。引起損耗的原因與電池中水和溫度的管理有關。如果沒有很好地控制溫度和水分,催化劑和質子運輸介質的老化會增加損耗,降低效率,*終導致電池解體。

較小的 PEM 電池通常不需要濕化,但在攜帶較高電流的較大電池中,聚合物膜可能需要進行反應物濕化以防止它在負載下脫水。質子交換容量與聚合物水分成正比,干聚合物將限制反應速度并導致電池損耗。

與干聚合物有關的另一個考慮因素是其使用壽命,這是設計燃料電池時要關注的主要問題之一。另一方面,如果未及時將生成的水從電池的陰極一側除去,水淹將導致電池性能不佳。燃料流中的濕度測量可幫助控制濕化過程、估計水的質量平衡并維持正常的膜水分。

為了提高反應效率,大量的反應氣體可能引導到催化表面。來自陽極出口的潮濕未反應燃料可再循環回到陽極入口,以濕化燃料流。這種再循環可能導致污染物積聚,這對于 PEM 燃料電池尤為有害。

除了控制燃料流濕度之外,陽極和陰極流的濕度測量可用于雜質測量 – 當總壓以及氫和水的分壓已知時,可以估計循環回路中雜質的分壓。


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