利用*佳濕化*大程度提高燃料電池的效率和壽命
文章來源：vaisala
“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
制氫是一個不斷增長的巨大產(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*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。氫的一個主要優(yōu)勢是適用于多種不同的燃料電池應(yīng)用場合。
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）以及運輸領(lǐng)域（汽車、公共交通和重型機械）。市場增長的一個重要驅(qū)動因素是汽車行業(yè)，目前在進(jìn)行密集加緊研究，旨在推動燃料電池技術(shù)在汽車市場的應(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)時釋放能量。這個直接過程具有高能效的優(yōu)勢（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。其他優(yōu)勢還包括工作場所零排放、靜音工作等。
每種燃料電池技術(shù)都有自身的優(yōu)勢和不足。當(dāng)今市場上的三大技術(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)是*通用的，因為它的工作溫度低 (<100 °C)，這使得它同時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)浠衔铮谥卣^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。氫燃料在陽極被分解為質(zhì)子（氫離子）和電子時，通過外部電路將電子運輸?shù)疥帢O，從而產(chǎn)生電流。通過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(yīng)生成水。此反應(yīng)會產(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。
*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)子運輸期間運輸介質(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)燃料在膜中擴散而不發(fā)生反應(yīng)時導(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)子運輸介質(zhì)的老化會增加損耗，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)的另一個考慮因素是其使用壽命，這是設(shè)計燃料電池時要關(guān)注的主要問題之一。另一方面，如果未及時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。燃料流中的濕度測量可幫助控制濕化過程、估計水的質(zhì)量平衡并維持正常的膜水分。
為了提高反應(yīng)效率，大量的反應(yīng)氣體可能引導(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量可用于雜質(zhì)測量 – 當(dāng)總壓以及氫和水的分壓已知時，可以估計循環(huán)回路中雜質(zhì)的分壓。
