Огляд росту водневих паливних елементів

Під час процесу реакції в паливних елементах протонообмінна мембрана повинна підтримувати певну вологість, щоб забезпечити високу ефективність реакції. Тому реакційне середовище потрібне для перенесення певної кількості водяної пари в трубу. Цей крок зазвичай виконується за допомогою зволожувача повітря. . У цій статті аналізується зволожувач повітря на паливних елементах із шести аспектів: принцип водневого паливного елемента, основний принцип передачі води, вибір зволожувача та вимоги до застосування, модель і параметри зволожувача, матеріал мембрани та структура труби з порожнистим волокном, а також запровадження технології внутрішнього зволоження.

1. Принцип дії водневого паливного елемента

H2 проходить через дифузійний шар вуглецевого волокна анода в газоподібному стані та розділяється на протони H та електрони на каталітичному шарі. Протони H (у стані H3O+) проходять через протонообмінну мембрану та з’єднуються з іонами O на катодному каталітичному шарі, утворюючи воду.

Теоретично протонообмінна мембрана може пропускати лише протони. На матеріалі мембрани є багато сульфонатних груп, і тільки коли він вологий, він може мати високу протонну провідність. За звичайних обставин і водень на аноді, і повітря на катоді повинні бути зволожені, а реакція на стороні катода утворює воду. Під градієнтною різницею концентрації води з обох боків вода буде мігрувати на інший бік через мембрану.

2. Основний принцип перенесення води

1. Принцип переносу води.

Електроміграція: водень зазвичай не існує у стані оголених атомних ядер під час процесу провідності, а мігрує через водневі зв’язки та молекули води з утворенням гідронієвих іонів, змушуючи молекули води мігрувати від анода до катода з протони. Кількість електромігрованої води пов'язана з густиною струму і з числом гідратації протона;

Зворотна дифузія: вода утворюється на катоді під дією градієнта концентрації води з обох боків мембрани, вода переноситься від катода до анода, і кількість води пропорційна градієнту концентрації води та дифузії. коефіцієнт вмісту води в мембрані і обернено пропорційний товщині мембрани.

Міграція різниці тиску: Завдяки різниці тиску з обох боків мембрани вода тече зі сторони високого тиску до сторони низького тиску, і кількість води пропорційна градієнту тиску та коефіцієнту проникності води в мембрані, і обернено пропорційна в'язкості води в мембрані. Ефект мінімальний.

2. Як вміст води впливає на роботу протонообмінної мембрани?

A. Вологість катодного повітря: відносна вологість повітря підвищується, що призводить до пригнічення міграції води, що утворюється на межі реакційної фази, до межі катодного дифузійного шару та каналу потоку, тим самим сприяючи міграції води до анода.

B. Температура точки роси повітря на катоді: коли температура точки роси повітря підвищується, вода, що утворюється в результаті реакції, мігрує до анода, що збільшує вміст води в мембрані, підвищує протонну провідність мембрани та збільшує вихідний потенціал акумулятор. Якщо температура точки роси повітря надто висока, абсолютна кількість води в катоді занадто велика, щоб її можна було вивести в газоподібну форму, що призведе до затоплення. При цьому знижується концентрація кисню, знижується швидкість реакції; опір масопередачі збільшується, омічний опір мембрани збільшується, а продуктивність акумулятора знижується.

C. Температура стека: коли температура пакета підвищується, тиск насичення водяної пари збільшується, що сприяє випаровуванню води в анодному дифузійному шарі, сприяє міграції концентрації води, покращує протонну провідність мембрани та покращує продуктивність стека.

D. Перехресний ефект: у відносно сухих умовах реакції електрод прискорить швидкість деградації мембранного електроліту, що призведе до пошкодження мембрани та дозволить газу проникнути на іншу сторону електрода.

E. Вплив іонів металу на мембрану та отруєння каталізатора: надмірна вологість збільшить ймовірність забруднення MEA домішками. Шкідливі компоненти, такі як іони металів, CO та S з навколишнього середовища, а також іони металів, що утворюються в акумуляторі, дифундують із надлишком води. До поверхні електрода та мембрани, викликаючи іони металу та отруєння каталізатора мембрани.

3. Вибір зволожувача та вимоги до застосування

Вибір зволожувача в основному враховує його точку роси, близьку до температури, опір потоку, опір температурі та тиску, максимальну трансмембранну різницю тиску тощо. 1.

Ефективність і надійність системи вимагає вмісту води

Випробовуючи вплив штабеля на вихідну потужність штабеля за різної вологості повітря (вміст води), визначте оптимальну вологість повітря в штабелі; в той же час слід також враховувати вплив різного вмісту води на термін служби стека.

2. Точка роси зволожувача близька до температури, що є причиною оцінки його здатності до зволоження

Зволожувачі для паливних елементів є газозволожуючими типами, і зазвичай подають вологий газ, близький до насиченого на вологому боці (початкова точка роси на вологому боці), щоб побачити, наскільки вологим може бути сухе повітря (кінцева точка роси на вологому боці). суха сторона). Різниця між початковою точкою роси на вологому боці та кінцевою точкою роси на сухому боці визначається як температура наближення до точки роси, яка в основному може оцінити продуктивність зволоження зволожувача. Це також можна оцінити за водопроникністю мембрани г/(хв.см2).

3. Допустима температура середовища та різниця трансмембранного тиску: матеріал мембрани та структура мембрани

Як правило, термостійкість мембранних матеріалів вище 100°C. Згідно з вимогами DOE, різниця міжмембранного тиску має становити >75 кПа, і важко досягти цього рівня для ультратонких порожнистих трубок без підтримки.

4. Надійність: продуктивність, витік

Для загальних тестів на надійність точку роси можна порівняти з температурою до і після довговічності; швидкість пошкодження плівки також можна оцінити методом бульбашок.

4. Модель і параметри зволожувача повітря

(1) Perma Pure, DuPont ексклюзивно схвалює труби з порожнистим волокном Nafion;

(2) KOLON, полісульфонова однорідна порожниста трубка;

(3) NOK, поліфенілсульфонова мембрана з порожнистих волокон, нанопориста;

(4) Dpoint, з використанням сендвіч-композитної плоскої мембрани Gore+PFSA.

5. Мембранний матеріал і структура труби з порожнистим волокном

1. Полісульфонова серія, поліімідна, фторовмісна сульфокислотна мембрана

Полісульфон має чудові механічні властивості, хімічну стабільність, гарну термостійкість, стійкість до біодеградації, високу внутрішню пористість і стабільну мікропористу структуру, і часто використовується як субстрат для газороздільних мембран. Однак це гідрофобний мембранний матеріал.

Полісульфон, поліефірсульфон і поліфенілсульфон мають подібні властивості. Якщо вони будуть використовуватися в паливних елементах, їх гідрофільність, як правило, можна покращити шляхом обробки жовтими квітами.

Поліімід має високу повітропроникність, селективність, гарну термостійкість, високу механічну міцність, хімічну стабільність і хорошу стійкість до розчинників, і може бути виготовлений у вигляді самонесучої асиметричної порожнистоволоконної мембрани з високим коефіцієнтом проникності. Погана гідрофільність, потребує обробки сульфуванням.

Поліімід також активно вивчається як протонообмінна мембрана з хорошими перспективами в майбутньому.

Перфторсульфонова кислота PFSA, як протонообмінна мембрана, виконує функцію перенесення води при різниці концентрацій, а також може використовуватися як мембрана зволожувача. Фторовмісні мембрани також включають розширений політетрафторетилен ePTFE від Gore та частково фторовану протонообмінну мембрану BAM3G від Ballard. Ціна занадто дорога.

2. Полісульфонова серія, поліімідна, фторовмісна мембрана сульфонової кислоти

Мембрани трубчастих порожнистих волокон в основному поділяються на пористі мембрани, епідермальні мембрани та гомогенні мембрани. За своїми характеристиками з них можна виготовляти ультрафільтраційні мембрани, мембрани прямого/зворотного осмосу, газороздільні мембрани, мембрани для гемодіалізу тощо. Мембрана з порожнистих волокон характеризується великою площею поверхні при тому ж об’ємі.

Процес підготовки труб із порожнистим волокном в основному поділяється на метод прядіння з розчину та метод прядіння з розплаву. Метод обертання з розчину вимагає пороутворювача для створення мікропор на мембрані, і, як правило, розмір пор трохи більший, що використовується частіше; метод прядіння з розплаву створює мікропори шляхом розтягування, і технічні вимоги є високими.

Плоска мембрана складається з тонкого прошарку PFSA в центрі та пористих шарів з обох боків. Площа поверхні порівняно невелика.

6. Технологія внутрішнього зволоження

В основі зволоження лежить управління водою. Toyota не потребує зовнішнього зволожувача через контроль температури та циркуляцію води на аноді. Внутрішнє зволоження також має високі вимоги до стека та вищі вимоги до стратегій контролю. Крім того, водообмін також виконується через пористі вуглецеві пластини на торцевій пластині колектора, а водообмін здійснюється шляхом додавання модуля, подібного до одного стека, в середині стека.