利用*佳濕化*大程度提高燃料電池的效率和壽命

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“維薩拉濕度傳感器在我們的研究中很有幫助。了解反應(yīng)氣體的濕度對(duì)于低溫和高溫燃料電池都很重要。”Mikko Kotisaari，VTT 燃料電池研究科學(xué)家

制氫是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的巨大產(chǎn)業(yè)。氫經(jīng)濟(jì)被認(rèn)為是未來(lái)低碳經(jīng)濟(jì)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(lái)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。

使用燃料電池技術(shù)的應(yīng)用可以分為三大類：便攜式發(fā)電（用于移動(dòng)設(shè)備和便攜式輔助電源）、固定發(fā)電（分布式發(fā)電、備用電源和并網(wǎng)電站）以及運(yùn)輸領(lǐng)域（汽車、公共交通和重型機(jī)械）。市場(chǎng)增長(zhǎng)的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因素是汽車行業(yè)，目前在進(jìn)行密集加緊研究，旨在推動(dòng)燃料電池技術(shù)在汽車市場(chǎng)的應(yīng)用。

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(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(yīng)。在氫和氧發(fā)生反應(yīng)時(shí)釋放能量。這個(gè)直接過(guò)程具有高能效的優(yōu)勢(shì)（效率超過(guò) 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(lái)看，它超過(guò)了任何燃燒過(guò)程的效率。其他優(yōu)勢(shì)還包括工作場(chǎng)所零排放、靜音工作等。

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(lái)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)是*通用的，因?yàn)樗墓ぷ鳒囟鹊?span> (<100 °C)，這使得它同時(shí)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(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(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。

圖 1 中描述了 PEM 燃料電池的工作原理。氫燃料在陽(yáng)極被分解為質(zhì)子（氫離子）和電子時(shí)，通過(guò)外部電路將電子運(yùn)輸?shù)疥帢O，從而產(chǎn)生電流。通過(guò)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。

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(yīng)，形成電子和氫原子核。這些核通過(guò)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(guò)外部電路，產(chǎn)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(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(méi)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，*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(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(cè)除去，水淹將導(dǎo)致電池性能不佳。燃料流中的濕度測(cè)量可幫助控制濕化過(guò)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)氣體可能引導(dǎo)到催化表面。來(lái)自陽(yáng)極出口的潮濕未反應(yīng)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(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(yáng)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。