2022年氢燃料电池产业高峰论坛
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燃料电池增湿器
燃料电池增湿器

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1、氢燃料电池原理

H2以气体状态经过阳极碳纤维扩散层,在催化层分离为H质子和电子,H质子(以H3O+状态)通过质子交换膜,在阴极催化层与O离子结合生成水。

理论上,质子交换膜只能通过质子,膜材料上有很多磺酸根,只有在湿润的情况下才能有较高的质子传导率。一般情况下阳极氢气和阴极空气都必须加湿,在阴极侧反应生成水,在两侧水浓度梯度差下,水会经过膜迁移到另一侧。

氢燃料电池之肺泡-增湿器有啥用?

2、水传递的基本原理

(1)水传递原理

电迁移:氢在传导过程中通常不以裸露原子核状态存在,而是通过氢键和水分子形成水合氢离子状态迁移,导致水分子随质 子从阳极向阴极迁移 ,电迁 移的水量与电流密度和质子水合数有关 ;

反扩散 :水在阴极形成 ,在膜两侧的水浓度悌度推动下 ,水由阴极向阳极传递 ,其水量正比于水的浓度梯度和膜内水的扩散系数 ,反比于膜的厚度。

压差迁移:在膜两侧压力差推动下,水从高压侧向低压侧流动 ,其 水量正 比于压力梯度和水在 膜 中的渗透系数,反比于水在 膜中的黏度。影响很小。

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(2)水含量是如何影响质子交换膜的性能的?

A、 阴极空气湿度:空气相对湿度增大,导致反应界面生成水向阴极扩散层-流道界面迁移受到抑制,从而促进水向阳极侧迁移。

B、阴极空气露点温度:空气露点温度升高,反应生成水向阳极迁移,提高了膜内水含量,增强了膜的质子传导率,使电池输出电势升高。 空气露点温度过高,则阴极绝对水量太多,无法以气态形式带走,导致水淹。同时,氧气浓度降低,反应速率降低;传质阻力增加,膜欧姆电阻增加,电池性能降低。

C、电堆温度:电堆温度升高,水蒸气饱和压力增大,促进阳极扩散层内水分蒸发,促进水的浓差迁移,膜的质子传导率提高,电堆性能提升。

D、Crossover效 应:电极在相对干燥的反应 条件下,会加速膜电解质的降解速度 ,从而导致膜的破损,使气体向另一个 电极侧渗透 。

E、膜金属离子效应和催化剂中毒:水分过多会增加杂质对 MEA污染的机会,来自环境中的金属离子、CO、S等有害组分以及电池中产生金属离子等会随着过量的水分扩散到电极表面和膜中,导致膜的金属离子和催 化剂中毒等。

3、加湿器选型及应用要求

加湿器选型主要考虑其露点接近温度、流阻、耐温耐压、最大跨膜压差等。

1)电堆性能及可靠性对水含量的需求

通过测试电堆在不同空气湿度(含水量)下对电堆输出功率的影响,确定最佳进堆空气湿度;同时也要考虑不同含水量情况下对电堆寿命的影响。

(2)加湿器露点接近温度作为评估其加湿能力的原因

燃料电池用加湿器为气气加湿型,通常通过给定湿侧接近饱和的湿气体(湿侧的初露点),看能把干空气加湿到什么程度(干侧终露点)。定义湿侧初露点与干侧终露点之差为露点接近温度,基本可以评估加湿器的加湿性能。也可以通过膜水传递率g/(min.cm2)来评估。

(3)允许介质温度及跨膜压差:膜材料和膜结构

一般膜材料的耐温都在100℃以上。在DOE要求中跨膜压差需>75kpa。

4、膜材料及中空纤维管结构

(1)聚砜系列、聚酰亚胺、含氟磺酸膜

聚砜具有优良的机械性能、化学稳定性,耐热性好,耐生物降解,内孔隙率高且微孔结构稳定,常用作气体分离膜的基材。但是属于疏水性膜材料。

聚砜、聚醚砜、聚苯砜,具有接近的性能,要应用在燃料电池上,一般可通过黄花处理提高其亲水性。

聚酰亚胺具有高透气性、选择性、良好的耐热能力,机械强度高,化学稳定性、耐溶剂性好,可制成具有高渗透系数的自支撑不对称中空纤维膜。亲水性差,需要磺化处理。

聚酰亚胺也作为一种未来有很好前景的质子交换膜在被大量研究。

全氟磺酸 PFSA作为质子交换膜,具有水在浓差下传递的功能,也可以作为增湿器的膜。含氟系列膜还包括,戈尔的ePTFE膨体聚四氟乙烯、巴拉德的BAM3G部分氟化质子交换膜。价格太贵了。

(2)中空纤维管膜、平板膜

中空纤维管膜主要分为多孔膜、表皮膜、均质膜,根据其特点制成超滤膜、正/反渗透膜、气体分离膜、血透膜等。中空纤维管膜的特点是相同体积下表面积大。

中空纤维管制备工艺主要分为溶液纺丝法和熔融纺丝法。溶液纺丝法需要致孔剂在膜上产生微孔,且一般孔径稍大,较常用;熔融纺丝法,通过拉伸产生微孔,技术要求高。

氢燃料电池之肺泡-增湿器有啥用?

平板膜,通过中心很薄的PFSA夹层和两侧的多空层复合而成。表面积相对小。

氢燃料电池之肺泡-增湿器有啥用?

6、内增湿技术

增湿的核心问题是水管理。丰田通过温度控制和阳极水循环做到了不需要外部增湿器,内增湿对电堆要求也高,对控制策略要求更高。 另外也有如在集流端板上通过多孔碳板进行水交换,通过电堆中间增加类似单堆的模组进行水交换。总的来说技术难度大,要能用还早着呢。

 

 

非常感谢本文作者将增湿器的相关知识讲的明明白白,让大家学到了不少有用的知识。本人对增湿器也稍有一些了解,借此宝地给从经济角度分享一下增湿器的选型和应用小知识。
首先任何一家系统厂的老板、工程师、采购员大家的共同愿景是降低燃料电池系统的成本,那么如何选择合适的增湿器就是我们需要考虑的问题,是不是选择更便宜的增湿器就能达到降低成本的目的呢?
目前市场上的增湿器无非有两大类,一是韩国的kolon增湿器,另一类是国产的增湿器。当然了,和其他产品一样,前者的价格要比后者的价格贵不少。表面上看选择国产增湿器的话降低了增湿器产品的成本,那么整个系统的成本不就降低了吗?由于国内基础科学上的短板,尤其是基础材料上的底子远不如国外,所以在增湿器的关键材料(膜管)技术上要远落后于国外,导致国产增湿器虽然价格便宜,但存在两个致命弱点:一是膜管保压能力差,即漏气严重(导致氧气供应不足)。二是有效寿命短。
膜管保压能力差,就会导致空气在经过增湿器后的压力不足,导致干气出口侧的压力达不到电堆进气需求的压力,怎么解决呢?增大增湿器干气入口的压力不久可以了。好!增大干气入口的压力,是不是需要提高空压机的性能,空压机的性能提上去了,空压机的成本是不是上去了?会不会出现在增湿器上节省的费用还不足以弥补空压机成本的提升?留给大家测算。
如果不变动空压机的性能,那么由于空气泄露较多,就会导致氧气供应不足,氧气供应不足就会导致系统的整体功率上不去,系统整体功率上不去的时候就需要增加MEA的片数,MEA片数的增加是不是又会导致系统整体成本的增加。
那么上面的两种处理情况,我们最初选择更便宜的增湿器,到底有没有实现降低成本的目的?
另外,大家还知道空气湿度的控制精度也影响电堆的整体寿命,如果由于增湿器导致电堆的寿命降低,那么哪怕降低10%电堆的寿命,就可能是3万的损失(以一台电堆30万,寿命10000小时计算),3万都可以买一台好的增湿器了吧?
增湿器如何影响系统的寿命呢?一是增湿器加湿性能的稳定性(能否保证全寿命周期内的性能稳定),另外一个是增湿器的吹扫性能(是否能保证电堆不过干,过干的电堆会导致质子膜的降解速度加快,从而降低电堆寿命)。
从以上的简单分享,我们可以看到,增湿器这个产品好像不是一个很简单的产品,它的性能以及与空压机、中冷器等零部件的匹配,对系统性能、寿命、成本有着综合的影响,这也是燃料电池的复杂性和高技术特点。

原文始发于:氢燃料电池之肺泡-增湿器有啥用?

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作者 ab, ab