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    氫燃料電池增濕器選型與應用解析

    發布日期: 2020-06-12
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    燃料電池電堆在反應過程中,質子交換膜需維持一定的濕度以保證較高的反應效率,因此要求反應介質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。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以氣體狀態經過陽極碳纖維擴散層,在催化層分離為H質子和電子,H質子(以H3O+狀態)通過質子交換膜,在陰極催化層與O離子結合生成水。

    理論上,質子交換膜只能通過質子,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子傳導率。一般情況下陽極氫氣和陰極空氣都必須加濕,在陰極側反應生成水,在兩側水濃度梯度差下,水會經過膜遷移到另一側。

    2水傳遞的基本原理

    (1) 水傳遞原理

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

    反擴散:水在陰極形成 ,在膜兩側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水的擴散系數 ,反比于膜的厚度。

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

     

    (2)水含量是如何影響質子交換膜的性能的?

    A、陰極空氣濕度:空氣相對濕度增大,導致反應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遷移。

    B、陰極空氣露點溫度:空氣露點溫度升高,反應生成水向陽極遷移,提高了膜內水含量,增強了膜的質子傳導率,使電池輸出電勢升高??諝饴饵c溫度過高,則陰極水量太多,無法以氣態形式帶走,導致水淹。同時,氧氣濃度降低,反應速率降低;傳質阻力增加,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,促進陽極擴散層內水分蒸發,促進水的濃差遷移,膜的質子傳導率提高,電堆性能提升。

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

    E、膜金屬離子效應和催化劑中毒:水分過多會增加雜質對 MEA污染的機會,來自環境中的金屬離子、CO、S等有害組分以及電池中產生金屬離子等會隨著過量的水分擴散到電極表面和膜中,導致膜的金屬離子和催化劑中毒等。

    3加濕器選型及應用要求

    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,通常通過給定濕側接近飽和的濕氣體(濕側的初露點),看能把干空氣加濕到什么程度(干側終露點)。定義濕側初露點與干側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)允許介質溫度及跨膜壓差:膜材料和膜結構

    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加濕器選型及應用要求

    (1)博純,杜邦獨jia授權Nafion中空纖維管;

    (2)KOLON,聚砜均質中空纖維管;

    (3)NOK,聚苯砜中空纖維膜,納米孔隙;

    (4)Dpoint,采用夾層復合平板膜Gore+PFSA。

    5膜材料及中空纖維管結構

    (1)聚砜系列、聚酰亞胺、含氟磺酸膜

    聚砜具有優良的機械性能、化學穩定性,耐熱性好,耐生物降解,內孔隙率高且微孔結構穩定,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,化學穩定性、耐溶劑性好,可制成具有高滲透系數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子交換膜在被大量研究。

    全氟磺酸 PFSA作為質子交換膜,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、均質膜,根據其特點制成超濾膜、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生微孔,且一般孔徑稍大,較常用;熔融紡絲法,通過拉伸產生微孔,技術要求高。

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

    6內增濕技術

    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做到了不需要外部增濕器,內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技術難度大,要能用還早著呢。

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