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氫燃料電池增濕器選型與應(yīng)用解析

更新時間:2020-06-12點擊次數(shù):5028

燃料電池電堆在反應(yīng)過程中,質(zhì)子交換膜需維持一定的濕度以保證較高的反應(yīng)效率,因此要求反應(yīng)介質(zhì)需攜帶一定量的水蒸氣進入電堆,這一步通常需通過增濕器來實現(xiàn)。本文從以下六個方面對燃料電池增濕器進行分析介紹。

1氫燃料電池原理

H2以氣體狀態(tài)經(jīng)過陽極碳纖維擴散層,在催化層分離為H質(zhì)子和電子,H質(zhì)子(以H3O+狀態(tài))通過質(zhì)子交換膜,在陰極催化層與O離子結(jié)合生成水。

理論上,質(zhì)子交換膜只能通過質(zhì)子,膜材料上有很多磺酸根,只有在濕潤的情況下才能有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率。一般情況下陽極氫氣和陰極空氣都必須加濕,在陰極側(cè)反應(yīng)生成水,在兩側(cè)水濃度梯度差下,水會經(jīng)過膜遷移到另一側(cè)。

2水傳遞的基本原理

(1) 水傳遞原理

電遷移:氫在傳導(dǎo)過程中通常不以裸露原子核狀態(tài)存在,而是通過氫鍵和水分子形成水合氫離子狀態(tài)遷移,導(dǎo)致水分子隨質(zhì) 子從陽極向陰極遷移 ,電遷 移的水量與電流密度和質(zhì)子水合數(shù)有關(guān) ;

反擴散:水在陰極形成 ,在膜兩側(cè)的水濃度梯度推動下 ,水由陰極向陽極傳遞 ,其水量正比于水的濃度梯度和膜內(nèi)水的擴散系數(shù) ,反比于膜的厚度。

壓差遷移:在膜兩側(cè)壓力差推動下,水從高壓側(cè)向低壓側(cè)流動 ,其水量正 比于壓力梯度和水在膜中的滲透系數(shù),反比于水在膜中的黏度。影響很小。

 

(2)水含量是如何影響質(zhì)子交換膜的性能的?

A、陰極空氣濕度:空氣相對濕度增大,導(dǎo)致反應(yīng)界面生成水向陰極擴散層-流道界面遷移受到抑制,從而促進水向陽極側(cè)遷移。

B、陰極空氣露點溫度:空氣露點溫度升高,反應(yīng)生成水向陽極遷移,提高了膜內(nèi)水含量,增強了膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率,使電池輸出電勢升高。空氣露點溫度過高,則陰極水量太多,無法以氣態(tài)形式帶走,導(dǎo)致水淹。同時,氧氣濃度降低,反應(yīng)速率降低;傳質(zhì)阻力增加,膜歐姆電阻增加,電池性能降低。

C、電堆溫度:電堆溫度升高,水蒸氣飽和壓力增大,促進陽極擴散層內(nèi)水分蒸發(fā),促進水的濃差遷移,膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率提高,電堆性能提升。

D、Crossover效應(yīng):電極在相對干燥的反應(yīng) 條件下,會加速膜電解質(zhì)的降解速度,從而導(dǎo)致膜的破損,使氣體向另一個 電極側(cè)滲透 。

E、膜金屬離子效應(yīng)和催化劑中毒:水分過多會增加雜質(zhì)對 MEA污染的機會,來自環(huán)境中的金屬離子、CO、S等有害組分以及電池中產(chǎn)生金屬離子等會隨著過量的水分?jǐn)U散到電極表面和膜中,導(dǎo)致膜的金屬離子和催化劑中毒等。

3加濕器選型及應(yīng)用要求

加濕器選型主要考慮其露點接近溫度、流阻、耐溫耐壓、大跨膜壓差等。

(1) 電堆性能及可靠性對水含量的需求

通過測試電堆在不同空氣濕度(含水量)下對電堆輸出功率的影響,確定jia進堆空濕度;同時也要考慮不同含水量情況下對電堆壽命的影響。

(2)加濕器露點接近溫度作為評估其加濕能力的原因

燃料電池用加濕器為氣氣加濕型,通常通過給定濕側(cè)接近飽和的濕氣體(濕側(cè)的初露點),看能把干空氣加濕到什么程度(干側(cè)終露點)。定義濕側(cè)初露點與干側(cè)終露點之差為露點接近溫度,基本可以評估加濕器的加濕性能。也可以通過膜水傳遞率g/(min.cm2)來評估。

(3)允許介質(zhì)溫度及跨膜壓差:膜材料和膜結(jié)構(gòu)

一般膜材料的耐溫都在100℃以上。在DOE要求中跨膜壓差需>75kpa,無支撐超薄中空纖維管要達到這個水平有一定難度。

(4)可靠性:性能、泄露

一般可靠性性測試,可以對比耐久前后露點接近溫度;也可以通過氣泡法判斷膜破損率。

4加濕器選型及應(yīng)用要求

(1)博純,杜邦獨jia授權(quán)Nafion中空纖維管;

(2)KOLON,聚砜均質(zhì)中空纖維管;

(3)NOK,聚苯砜中空纖維膜,納米孔隙;

(4)Dpoint,采用夾層復(fù)合平板膜Gore+PFSA。

5膜材料及中空纖維管結(jié)構(gòu)

(1)聚砜系列、聚酰亞胺、含氟磺酸膜

聚砜具有優(yōu)良的機械性能、化學(xué)穩(wěn)定性,耐熱性好,耐生物降解,內(nèi)孔隙率高且微孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,常用作氣體分離膜的基材。但是屬于疏水性膜材料。

聚砜、聚醚砜、聚苯砜,具有接近的性能,要應(yīng)用在燃料電池上,一般可通過黃花處理提高其親水性。

聚酰亞胺具有高透氣性、選擇性、良好的耐熱能力,機械強度高,化學(xué)穩(wěn)定性、耐溶劑性好,可制成具有高滲透系數(shù)的自支撐不對稱中空纖維膜。親水性差,需要磺化處理。

聚酰亞胺也作為一種未來有很好前景的質(zhì)子交換膜在被大量研究。

全氟磺酸 PFSA作為質(zhì)子交換膜,具有水在濃差下傳遞的功能,也可以作為增濕器的膜。含氟系列膜還包括,戈爾的ePTFE膨體聚四氟乙烯、巴拉德的BAM3G部分氟化質(zhì)子交換膜。價格太貴了。

(2) 聚砜系列、聚酰亞胺、含氟磺酸膜

中空纖維管膜主要分為多孔膜、表皮膜、均質(zhì)膜,根據(jù)其特點制成超濾膜、正/反滲透膜、氣體分離膜、血透膜等。中空纖維管膜的特點是相同體積下表面積大。

中空纖維管制備工藝主要分為溶液紡絲法和熔融紡絲法。溶液紡絲法需要致孔劑在膜上產(chǎn)生微孔,且一般孔徑稍大,較常用;熔融紡絲法,通過拉伸產(chǎn)生微孔,技術(shù)要求高。

平板膜,通過中心很薄的PFSA夾層和兩側(cè)的多空層復(fù)合而成。表面積相對小。

6內(nèi)增濕技術(shù)

增濕的核心問題是水管理。豐田通過溫度控制和陽極水循環(huán)做到了不需要外部增濕器,內(nèi)增濕對電堆要求也高,對控制策略要求更高。另外也有如在集流端板上通過多孔碳板進行水交換,通過電堆中間增加類似單堆的模組進行水交換??偟膩碚f技術(shù)難度大,要能用還早著呢。

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