Przegląd wzrostu wodorowych ogniw paliwowych

Podczas procesu reakcji stosu ogniw paliwowych membrana wymiany protonów musi utrzymywać określoną wilgotność, aby zapewnić wysoką wydajność reakcji. Dlatego wymagane jest, aby medium reakcyjne przenosiło pewną ilość pary wodnej do komina. Ten krok jest zwykle realizowany przez nawilżacz. . W tym artykule przeanalizowano nawilżacz z ogniwami paliwowymi pod kątem sześciu aspektów: zasada działania wodorowych ogniw paliwowych, podstawowa zasada transferu wody, wybór nawilżacza i wymagania dotyczące jego zastosowania, model i parametry nawilżacza, materiał membrany i struktura rury z włókien pustych w środku oraz wprowadzenie technologii wewnętrznego nawilżania.

1. Zasada wodorowego ogniwa paliwowego

H2 przechodzi przez anodową warstwę dyfuzyjną z włókna węglowego w stanie gazowym i jest rozdzielany na protony H i elektrony w warstwie katalitycznej. Protony H (w stanie H3O+) przechodzą przez membranę wymiany protonów i łączą się z jonami O na warstwie katalitycznej katody, tworząc wodę.

Teoretycznie membrana wymiany protonów może przepuszczać tylko protony. Na materiale membrany znajduje się wiele grup sulfonianowych i tylko wtedy, gdy jest mokry, może on mieć wysoką przewodność protonową. W normalnych warunkach zarówno wodór anodowy, jak i powietrze katodowe muszą być nawilżane, a reakcja po stronie katody wytwarza wodę. Pod różnicą gradientu stężenia wody po obu stronach woda będzie migrować na drugą stronę przez membranę.

2. Podstawowa zasada przepływu wody

1. Zasada przenoszenia wody

Elektromigracja: Wodór zwykle nie występuje w stanie nagich jąder atomowych podczas procesu przewodzenia, ale migruje przez wiązania wodorowe i cząsteczki wody, tworząc jony hydroniowe, powodując migrację cząsteczek wody z anody do katody z protony. Ilość wody poddanej elektromigracji jest związana z gęstością prądu i liczbą hydratacji protonu;

Dyfuzja wsteczna: woda powstaje na katodzie, napędzana gradientem stężenia wody po obu stronach membrany, woda jest przenoszona z katody na anodę, a ilość wody jest proporcjonalna do gradientu stężenia wody i dyfuzji współczynnik wody w membranie i odwrotnie proporcjonalny do grubości membrany.

Migracja różnicy ciśnień: napędzana różnicą ciśnień po obu stronach membrany, woda przepływa ze strony wysokiego ciśnienia do strony niskiego ciśnienia, a ilość wody jest proporcjonalna do gradientu ciśnienia i współczynnika przepuszczalności wody w membranie, i odwrotnie proporcjonalna do lepkości wody w membranie. Efekt jest minimalny.

2. Jak zawartość wody wpływa na działanie membrany do wymiany protonów?

A. Wilgotność powietrza na katodzie: Wzrasta wilgotność względna powietrza, co powoduje zahamowanie migracji wody wytwarzanej na granicy reakcji z interfejsem warstwa dyfuzyjna katody-kanał przepływowy, co sprzyja migracji wody do strony anody.

B. Temperatura punktu rosy powietrza katody: Gdy temperatura punktu rosy powietrza wzrasta, woda wytwarzana w wyniku reakcji migruje do anody, co zwiększa zawartość wody w membranie, poprawia przewodnictwo protonów membrany i zwiększa potencjał wyjściowy bateria. Jeśli temperatura punktu rosy powietrza jest zbyt wysoka, bezwzględna ilość wody w katodzie jest zbyt duża, aby mogła zostać odprowadzona w postaci gazowej, co prowadzi do zalania. Jednocześnie zmniejsza się stężenie tlenu, zmniejsza się szybkość reakcji; wzrasta rezystancja przenoszenia masy, wzrasta rezystancja omowa membrany, a wydajność baterii maleje.

C. Temperatura stosu: Gdy temperatura stosu wzrasta, wzrasta ciśnienie nasycenia pary wodnej, co sprzyja parowaniu wody w anodowej warstwie dyfuzyjnej, sprzyja migracji stężenia wody, poprawia przewodnictwo protonowe membrany i poprawia wydajność stosu.

D. Efekt skrzyżowania: W stosunkowo suchych warunkach reakcji elektroda przyspieszy tempo degradacji elektrolitu membrany, powodując uszkodzenie membrany i umożliwiając przenikanie gazu na drugą stronę elektrody.

E. Wpływ jonów metali na membranę i zatrucie katalizatora: Nadmierna wilgoć zwiększa ryzyko zanieczyszczenia MEA. Szkodliwe składniki, takie jak jony metali, CO i S z otoczenia, oraz jony metali wytwarzane w akumulatorze będą dyfundować wraz z nadmiarem wody. Do powierzchni elektrody i membrany, powodując zatrucie membrany jonami metali i katalizatorem.

3. Wybór nawilżacza i wymagania dotyczące zastosowania

Wybór nawilżacza uwzględnia przede wszystkim jego punkt rosy w pobliżu temperatury, opór przepływu, odporność na temperaturę i ciśnienie, maksymalną transmembranową różnicę ciśnień itp. 1.

Wydajność i niezawodność komina wymagają zawartości wody

Badając wpływ komina na moc wyjściową komina przy różnej wilgotności powietrza (zawartości wody), określić optymalną wilgotność powietrza w kominie; jednocześnie należy wziąć pod uwagę wpływ różnej zawartości wody na żywotność komina.

2. Punkt rosy nawilżacza jest zbliżony do temperatury jako powód do oceny jego zdolności nawilżania

Nawilżacze do ogniw paliwowych są nawilżaczami gazowymi i zwykle otrzymują mokry gaz, który jest bliski nasycenia po stronie mokrej (początkowy punkt rosy po stronie mokrej), aby zobaczyć, jak wilgotne może być suche powietrze (końcowy punkt rosy po stronie mokrej). sucha strona). Różnica między początkowym punktem rosy po stronie mokrej a końcowym punktem rosy po stronie suchej jest definiowana jako temperatura zbliżania się do punktu rosy, która może zasadniczo ocenić wydajność nawilżania nawilżacza. Można to również ocenić na podstawie przepuszczalności wody przez membranę g/(min.cm2).

3. Dopuszczalna temperatura medium i transmembranowa różnica ciśnień: materiał membrany i budowa membrany

Generalnie odporność temperaturowa materiałów membranowych wynosi powyżej 100°C. W wymaganiach DOE transmembranowa różnica ciśnień musi wynosić > 75 kpa i trudno jest osiągnąć ten poziom w przypadku nieobsługiwanych ultracienkich rurek z pustych włókien.

4. Niezawodność: wydajność, wyciek

W przypadku ogólnych testów niezawodności punkt rosy można porównać z temperaturą przed i po trwałości; stopień uszkodzenia filmu można również ocenić metodą bąbelkową.

4. Model i parametry nawilżacza

(1) Perma Pure, firma DuPont autoryzowała wyłącznie tuby z pustych włókien Nafion;

(2) KOLON, rura z jednorodnego włókna kapilarnego z polisulfonu;

(3) NOK, polifenylosulfonowa membrana kanalikowa, nanoporowata;

(4) Punkt D, przy użyciu wielowarstwowej płaskiej membrany kompozytowej Gore+PFSA.

5. Materiał membrany i struktura tuby z pustych włókien

1. Seria polisulfonów, poliimid, membrana kwasu sulfonowego zawierająca fluor

Polisulfon ma doskonałe właściwości mechaniczne, stabilność chemiczną, dobrą odporność na ciepło, odporność na biodegradację, wysoką porowatość wewnętrzną i stabilną mikroporowatą strukturę i jest często używany jako podłoże do membran do separacji gazów. Jest to jednak hydrofobowy materiał membranowy.

Polisulfon, polieterosulfon i polifenylosulfon mają podobne właściwości. Jeśli mają być stosowane w ogniwach paliwowych, ich hydrofilowość można zasadniczo poprawić przez obróbkę żółtymi kwiatami.

Poliimid ma wysoką przepuszczalność powietrza, selektywność, dobrą odporność na ciepło, wysoką wytrzymałość mechaniczną, stabilność chemiczną i dobrą odporność na rozpuszczalniki i może być przekształcony w samonośną asymetryczną membranę z pustych włókien o wysokim współczynniku przepuszczalności. Słaba hydrofilowość, wymaga obróbki sulfonowaniem.

Poliimid jest również szeroko badany jako membrana do wymiany protonów z dobrymi perspektywami na przyszłość.

Kwas perfluorosulfonowy PFSA, jako membrana do wymiany protonów, ma funkcję przenoszenia wody przy różnicy stężeń i może być również stosowany jako membrana nawilżająca. Membrany zawierające fluor obejmują również politetrafluoroetylen ekspandowany ePTFE firmy Gore i częściowo fluorowaną membranę wymiany protonów BAM3G firmy Ballard. Cena jest zbyt droga.

2. Seria polisulfonów, poliimid, membrana kwasu sulfonowego zawierająca fluor

Membrany rurowe z pustymi włóknami dzielą się głównie na membrany porowate, membrany naskórkowe i membrany jednorodne. Zgodnie z ich właściwościami można je przekształcić w membrany do ultrafiltracji, membrany do osmozy do przodu/odwróconej, membrany do separacji gazów, membrany do hemodializy itp. Membrana z pustych włókien charakteryzuje się dużą powierzchnią przy tej samej objętości.

Proces przygotowania tuby z pustych włókien dzieli się głównie na metodę przędzenia roztworu i metodę przędzenia ze stopu. Metoda przędzenia roztworu wymaga porogenu do wytworzenia mikroporów na membranie, a ogólnie rozmiar porów jest nieco większy, co jest częściej stosowane; metoda przędzenia ze stopu wytwarza mikropory przez rozciąganie, a wymagania techniczne są wysokie.

Płaska membrana składa się z cienkiej warstwy pośredniej PFSA w środku i porowatych warstw po obu stronach. Powierzchnia jest stosunkowo niewielka.

6. Wewnętrzna technologia nawilżania

Sercem nawilżania jest gospodarka wodna. Toyota nie potrzebuje zewnętrznego nawilżacza dzięki regulacji temperatury i anodowej cyrkulacji wody. Wewnętrzne nawilżanie ma również wysokie wymagania dotyczące komina i wyższe wymagania dotyczące strategii kontroli. Ponadto wymiana wody odbywa się również poprzez porowate płyty węglowe na płycie końcowej kolektora, a wymiana wody odbywa się poprzez dodanie modułu podobnego do pojedynczego komina w środku komina.