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 燃料電池研究科學家

制氫是一個不斷增長的巨大產業。氫經濟被認為是未來低碳經濟的重要組成部分，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。氫的一個主要優勢是適用于多種不同的燃料電池應用場合。

使用燃料電池技術的應用可以分為三大類：便攜式發電（用于移動設備和便攜式輔助電源）、固定發電（分布式發電、備用電源和并網電站）以及運輸領域（汽車、公共交通和重型機械）。市場增長的一個重要驅動因素是汽車行業，目前在進行密集加緊研究，旨在推動燃料電池技術在汽車市場的應用。

工作原理

燃料電池直接將化學能轉換為電能，不經過任何燃燒過程。燃料電池的工作原理基于氧化還原反應。在氫和氧發生反應時釋放能量。這個直接過程具有高能效的優勢（效率超過 50%），如果產生的熱能也被回收，效率可達到 85%。從發電角度來看，它超過了任何燃燒過程的效率。其他優勢還包括工作場所零排放、靜音工作等。

每種燃料電池技術都有自身的優勢和不足。當今市場上的三大技術是按質子載體介質來區分的：聚合物電解質膜 (PEM)、固體氧化物 (SO) 和熔融碳酸鹽 (MC)。從應用角度看，其中 PEM 技術是*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，*適合較大型應用，如分布式發電。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氫化合物，在重整過程中從這些物質中提取氫。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子（氫離子）和電子時，通過外部電路將電子運輸到陰極，從而產生電流。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生成水。此反應會產生電流和熱量。

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生反應，形成電子和氫原子核。這些核通過電荷載體介質被運輸到陰極，在陰極與氧反應生成水。電子流過外部電路，產生電流。

*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：催化反應和催化劑狀況引起的活性損耗，在質子運輸期間運輸介質中發生的歐姆損耗，到反應表面的質量傳遞速度受限制導致的濃度損耗，以及當燃料在膜中擴散而不發生反應時導致的內部電流。引起損耗的原因與電池中水和溫度的管理有關。如果沒有很好地控制溫度和水分，催化劑和質子運輸介質的老化會增加損耗，降低效率，*終導致電池解體。

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行反應物濕化以防止它在負載下脫水。質子交換容量與聚合物水分成正比，干聚合物將限制反應速度并導致電池損耗。

與干聚合物有關的另一個考慮因素是其使用壽命，這是設計燃料電池時要關注的主要問題之一。另一方面，如果未及時將生成的水從電池的陰極一側除去，水淹將導致電池性能不佳。燃料流中的濕度測量可幫助控制濕化過程、估計水的質量平衡并維持正常的膜水分。

為了提高反應效率，大量的反應氣體可能引導到催化表面。來自陽極出口的潮濕未反應燃料可再循環回到陽極入口，以濕化燃料流。這種再循環可能導致污染物積聚，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測量 – 當總壓以及氫和水的分壓已知時，可以估計循環回路中雜質的分壓。