如何通過(guò)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)濟被認為是未來(lái)低碳經(jīng)濟的重要組成部分，它醉終將替代礦物燃料成為我們的主要能源來(lái)源并緩解全球變暖趨勢。氫的一個(gè)主要優(yōu)勢是適用于多種不同的燃料電池應用場(chǎng)合。
 

　　市場(chǎng)增長(cháng)的一個(gè)重要驅動(dòng)因素是汽車(chē)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(chē)市場(chǎng)的應用。
 

　　無(wú)論將燃料電池應用于何處，都無(wú)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，但在其制造和測試過(guò)程中準確測量和控制濕度至關(guān)重要。重點(diǎn)介紹如何進(jìn)行濕度測量，以便即使在非常潮濕的環(huán)境中也能提供可靠的測量結果。
 

　　使用燃料電池技術(shù)的應用可以分為三大類(lèi)：
 

　　1.便攜式發(fā)電(用于移動(dòng)設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.運輸(汽車(chē)、公共交通和重型機械)
 

　　通過(guò)適當加濕來(lái)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)能轉換為電能，不經(jīng)過(guò)任何燃燒過(guò)程。燃料電池的工作原理基于氧化還原反應。在氫和氧發(fā)生反應時(shí)釋放能量。這個(gè)直接過(guò)程具有高能效的優(yōu)勢(效率超過(guò)50%)，如果產(chǎn)生的熱能也被回收，效率可達到85%。從發(fā)電角度來(lái)看，它超過(guò)了任何燃燒過(guò)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)濟被認為是未來(lái)低碳經(jīng)濟的重要組成部分，它醉終將替代礦物燃料成為我們的主要能源來(lái)源并緩解全球變暖趨勢。氫的一個(gè)主要優(yōu)勢是適用于多種不同的燃料電池應用場(chǎng)合。
 

　　每種燃料電池技術(shù)都有自身的優(yōu)勢和不足。當今市場(chǎng)上的三大技術(shù)是按質(zhì)子載體介質(zhì)來(lái)區分的：聚合物電解質(zhì)膜(PEM)、固體氧化物(SO)和熔融碳酸鹽(MC)。從應用角度看，其中PEM技術(shù)較通用，因為它的工作溫度低(<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(yáng)極發(fā)生反應，形成電子和氫原子核。這些核通過(guò)電荷載體介質(zhì)被運輸到陰極，在陰極與氧反應生成水。電子流過(guò)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氫化合物，在重整過(guò)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(yáng)極處被分解為質(zhì)子(氫離子)和電子時(shí)，通過(guò)外部電路使電子流向陰極，從而產(chǎn)生電流。通過(guò)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(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：催化反應和催化劑狀況引起的活性損耗，在質(zhì)子運輸期間運輸介質(zhì)中發(fā)生的歐姆損耗，到反應表面的質(zhì)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(fā)生反應時(shí)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(guān)。如果沒(méi)有很好地控制溫度和水分，催化劑和質(zhì)子運輸介質(zhì)的老化會(huì )增加損耗，降低效率，醉終導致電池解體。
 

　　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(jìn)行反應物濕化以防止它在負載下脫水。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速度并導致電池損耗。
 

　　與干聚合物有關(guān)的另一個(gè)考慮因素是其使用壽命，這是設計燃料電池時(shí)要關(guān)注的主要問(wèn)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加濕過(guò)程、估計水的質(zhì)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會(huì )被引導到催化表面。來(lái)自陽(yáng)極出口的潮濕未反應燃料可再循環(huán)回到陽(yáng)極入口，以濕化燃料流。這種再循環(huán)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(yáng)極和陰極流的濕度測量可用于雜質(zhì)測量–當總壓以及氫和水的分壓已知時(shí)，可以估計循環(huán)回路中雜質(zhì)的分壓。