如何通過濕度控制確保燃料電池質(zhì)量？

　　概覽：
 

　　氫氣生產(chǎn)是一個(gè)正在迅速發(fā)展壯大的產(chǎn)業(yè)。氫經(jīng)濟(jì)被認(rèn)為是未來低碳經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，它醉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(shì)。氫的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是適用于多種不同的燃料電池應(yīng)用場(chǎng)合。
 

　　市場(chǎng)增長(zhǎng)的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因素是汽車行業(yè)，目前我們正進(jìn)行加緊研究，旨在推動(dòng)燃料電池技術(shù)在汽車市場(chǎng)的應(yīng)用。
 

　　無論將燃料電池應(yīng)用于何處，都無一不需要它們具備優(yōu)異的質(zhì)量。影響燃料電池質(zhì)量的因素有很多，但在其制造和測(cè)試過程中準(zhǔn)確測(cè)量和控制濕度至關(guān)重要。重點(diǎn)介紹如何進(jìn)行濕度測(cè)量，以便即使在非常潮濕的環(huán)境中也能提供可靠的測(cè)量結(jié)果。
 

　　使用燃料電池技術(shù)的應(yīng)用可以分為三大類：
 

　　1.便攜式發(fā)電(用于移動(dòng)設(shè)備和便攜式輔助電源)
 

　　2.固定式發(fā)電(分布式發(fā)電、備用電源和并網(wǎng)電站)
 

　　3.運(yùn)輸(汽車、公共交通和重型機(jī)械)
 

　　通過適當(dāng)加濕來提高燃料電池的效率和使用壽命：
 

　　一：燃料電池的工作原理
 

　　燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，不經(jīng)過任何燃燒過程。燃料電池的工作原理基于氧化還原反應(yīng)。在氫和氧發(fā)生反應(yīng)時(shí)釋放能量。這個(gè)直接過程具有高能效的優(yōu)勢(shì)(效率超過50%)，如果產(chǎn)生的熱能也被回收，效率可達(dá)到85%。從發(fā)電角度來看，它超過了任何燃燒過程的效率。氫氣生產(chǎn)是一個(gè)正在迅速發(fā)展壯大的產(chǎn)業(yè)。氫經(jīng)濟(jì)被認(rèn)為是未來低碳經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，它醉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(shì)。氫的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是適用于多種不同的燃料電池應(yīng)用場(chǎng)合。
 

　　每種燃料電池技術(shù)都有自身的優(yōu)勢(shì)和不足。當(dāng)今市場(chǎng)上的三大技術(shù)是按質(zhì)子載體介質(zhì)來區(qū)分的：聚合物電解質(zhì)膜(PEM)、固體氧化物(SO)和熔融碳酸鹽(MC)。從應(yīng)用角度看，其中PEM技術(shù)較通用，因?yàn)樗墓ぷ鳒囟鹊?<100°C)，這使得它同時(shí)適用于小型和大型燃料電池。

　　圖1：PEM燃料電池的工作原理。在催化劑作用下氫燃料在陽極發(fā)生反應(yīng)，形成電子和氫原子核。這些核通過電荷載體介質(zhì)被運(yùn)輸?shù)疥帢O，在陰極與氧反應(yīng)生成水。電子流過外部電路，產(chǎn)生電流。
 

　　固體氧化物燃料電池涉及高溫，適合較大型應(yīng)用，如分布式發(fā)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?xì)浠衔?，在重整過程中從這些物質(zhì)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。
 

　　PEM燃料電池的工作原理如圖1所述。氫燃料在陽極處被分解為質(zhì)子(氫離子)和電子時(shí)，通過外部電路使電子流向陰極，從而產(chǎn)生電流。通過陰極的濕膜運(yùn)輸正電荷載體(氫原子核)，在陰極氫原子核與氧反應(yīng)生成水。此反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電流和熱量。
 

　　二：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(yīng)和催化劑狀況引起的活性損耗，在質(zhì)子運(yùn)輸期間運(yùn)輸介質(zhì)中發(fā)生的歐姆損耗，到反應(yīng)表面的質(zhì)量傳遞速度受限制導(dǎo)致的濃度損耗，以及當(dāng)燃料在膜中擴(kuò)散而不發(fā)生反應(yīng)時(shí)導(dǎo)致的內(nèi)部電流。引起損耗的原因與電池中水和溫度的管理有關(guān)。如果沒有很好地控制溫度和水分，催化劑和質(zhì)子運(yùn)輸介質(zhì)的老化會(huì)增加損耗，降低效率，醉終導(dǎo)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(jìn)行反應(yīng)物濕化以防止它在負(fù)載下脫水。質(zhì)子交換容量與聚合物水分成正比，干聚合物將限制反應(yīng)速度并導(dǎo)致電池?fù)p耗。
 

　　與干聚合物有關(guān)的另一個(gè)考慮因素是其使用壽命，這是設(shè)計(jì)燃料電池時(shí)要關(guān)注的主要問題之一。另一方面，如果未及時(shí)將生成的水從電池的陰極一側(cè)除去，水淹將導(dǎo)致電池性能不佳。
 

　　燃料流中的濕度測(cè)量可幫助控制加濕過程、估計(jì)水的質(zhì)量平衡并維持正常的膜水分。為了提高反應(yīng)效率，大量的反應(yīng)氣體可能會(huì)被引導(dǎo)到催化表面。來自陽極出口的潮濕未反應(yīng)燃料可再循環(huán)回到陽極入口，以濕化燃料流。這種再循環(huán)可能導(dǎo)致污染物積聚，這對(duì)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(cè)量可用于雜質(zhì)測(cè)量–當(dāng)總壓以及氫和水的分壓已知時(shí)，可以估計(jì)循環(huán)回路中雜質(zhì)的分壓。