Oversikt over hydrogenbrenselcellevekst

Under reaksjonsprosessen til brenselcelle-stabelen, må protonutvekslingsmembranen opprettholde en viss fuktighet for å sikre en høy reaksjonseffektivitet. Derfor kreves det at reaksjonsmediet bærer en viss mengde vanndamp inn i stabelen. Dette trinnet utføres vanligvis av en luftfukter. . Denne artikkelen analyserer brenselcellefukteren fra seks aspekter: hydrogenbrenselcelleprinsippet, grunnleggende prinsipp for vannoverføring, luftfuktervalg og brukskrav, luftfuktermodell og -parametere, membranmateriale og hulfiberrørstruktur, og intern fuktighetsteknologi introduserer.

1. Prinsipp for hydrogen brenselcelle

H2 passerer gjennom anodens karbonfiberdiffusjonslag i gassform, og separeres i H-protoner og elektroner ved det katalytiske laget. H-protoner (i tilstanden H3O+) passerer gjennom protonutvekslingsmembranen og kombineres med O-ioner ved det katodekatalytiske laget for å danne vann.

Teoretisk sett kan protonutvekslingsmembranen bare passere protoner. Det er mange sulfonatgrupper på membranmaterialet, og kun når det er vått kan det ha høy protonledningsevne. Under normale omstendigheter må både anodehydrogenet og katodeluften fuktes, og reaksjonen på katodesiden gir vann. Under gradientforskjellen av vannkonsentrasjon på begge sider, vil vannet migrere til den andre siden gjennom membranen.

2. Grunnprinsippet for vannoverføring

1. Prinsipp for vannoverføring

Elektromigrering: Hydrogen eksisterer vanligvis ikke i tilstanden bare atomkjerner under ledningsprosessen, men migrerer gjennom hydrogenbindinger og vannmolekyler for å danne hydroniumioner, noe som får vannmolekyler til å migrere fra anoden til katoden med protoner. Mengden elektromigrert vann er relatert til strømtettheten og relatert til protonhydreringsnummer;

Tilbakediffusjon: Vann dannes ved katoden, drevet av vannkonsentrasjonsgradienten på begge sider av membranen, vann overføres fra katoden til anoden, og vannmengden er proporsjonal med vannkonsentrasjonsgradienten og diffusjonen. koeffisient av vann i membranen, og omvendt proporsjonal med tykkelsen på membranen.

Trykkforskjellsmigrering: Drevet av trykkforskjellen på begge sider av membranen, strømmer vann fra høytrykksiden til lavtrykkssiden, og vannmengden er proporsjonal med trykkgradienten og permeabilitetskoeffisienten til vann i membranen, og omvendt proporsjonal med viskositeten til vann i membranen. Effekten er minimal.

2. Hvordan påvirker vanninnholdet ytelsen til protonutvekslingsmembranen?

A. Katodeluftfuktighet: Luftens relative fuktighet øker, noe som resulterer i undertrykkelse av migrasjonen av vann som genereres ved reaksjonsgrensesnittet til grensesnittet mellom katodediffusjonslag og strømningskanal, og fremmer derved migreringen av vann til anodesiden.

B. Katodeluftduggpunkttemperatur: Når luftduggpunkttemperaturen stiger, migrerer vannet som genereres av reaksjonen til anoden, noe som øker vanninnholdet i membranen, øker protonledningsevnen til membranen og øker utgangspotensialet til batteriet. Hvis luftens duggpunktstemperatur er for høy, er den absolutte mengden vann i katoden for mye til å bli tatt bort i gassform, noe som resulterer i oversvømmelser. Samtidig synker oksygenkonsentrasjonen, reaksjonshastigheten avtar; masseoverføringsmotstanden øker, den ohmske membranmotstanden øker, og batteriets ytelse reduseres.

C. Stabeltemperatur: Når temperaturen på stabelen øker, øker metningstrykket til vanndamp, noe som fremmer fordampning av vann i anodediffusjonslaget, fremmer migrering av vannkonsentrasjon, forbedrer protonledningsevnen til membranen og forbedrer ytelsen til stabelen.

D. Krysseffekt: Under relativt tørre reaksjonsforhold vil elektroden akselerere nedbrytningshastigheten til membranelektrolytten, noe som resulterer i skade på membranen og tillater gass å trenge inn til den andre elektrodesiden.

E. Membranmetallioneffekt og katalysatorforgiftning: Overdreven fuktighet vil øke sjansen for at urenheter forurenser MEA. Skadelige komponenter som metallioner, CO og S fra miljøet, og metallioner produsert i batteriet vil diffundere med overflødig vann. Til overflaten av elektroden og membranen, forårsaker metallioner og katalysatorforgiftning av membranen.

3. Luftfuktervalg og brukskrav

Valget av luftfukter tar hovedsakelig hensyn til dens duggpunkt nær temperatur, strømningsmotstand, temperatur- og trykkmotstand, maksimal transmembran trykkforskjell, etc. 1.

Ytelsen og påliteligheten til stabelen krever vanninnhold

Ved å teste påvirkningen av stabelen på utgangseffekten til stabelen under forskjellig luftfuktighet (vanninnhold), bestemme den optimale luftfuktigheten inn i stabelen; samtidig bør påvirkningen av forskjellig vanninnhold på levetiden til stabelen også vurderes.

2. Duggpunktet til luftfukteren er nær temperaturen som årsak til å evaluere dens fuktighetsevne

Luftfuktere for brenselceller er gassfuktende typer, og gis vanligvis en våtgass som er nær metning på våt side (startduggpunkt på våt side) for å se hvor fuktig den tørre luften kan være (endelig duggpunkt på våtsiden). tørr side). Forskjellen mellom det innledende duggpunktet på den våte siden og det endelige duggpunktet på den tørre siden er definert som duggpunktets tilnærmingstemperatur, som i utgangspunktet kan evaluere luftfukterens ytelse. Det kan også evalueres av membranens vannoverførbarhet g/(min.cm2).

3. Tillatt medium temperatur og transmembran trykkforskjell: membranmateriale og membranstruktur

Generelt er temperaturmotstanden til membranmaterialer over 100 °C. I DOE-krav må den transmembrane trykkforskjellen være >75kpa, og det er vanskelig å oppnå dette nivået for ustøttede ultratynne hulfiberrør.

4. Pålitelighet: ytelse, lekkasje

For generelle pålitelighetstester kan duggpunktet sammenlignes med temperaturen før og etter holdbarhet; filmskadehastigheten kan også bedømmes etter boblemetoden.

4. Luftfuktermodell og parametere

(1) Perma Pure, DuPont autoriserer eksklusivt Nafion hulfiberrør;

(2) KOLON, homogent hulfiberrør av polysulfon;

(3) NOK, polyfenylsulfon hulfibermembran, nanoporøs;

(4) Dpoint, ved bruk av sandwichkompositt flat membran Gore+PFSA.

5. Membranmateriale og hulfiberrørstruktur

1. Polysulfonserie, polyimid, fluorholdig sulfonsyremembran

Polysulfon har utmerkede mekaniske egenskaper, kjemisk stabilitet, god varmebestandighet, biologisk nedbrytningsmotstand, høy indre porøsitet og stabil mikroporøs struktur, og brukes ofte som et substrat for gasseparasjonsmembraner. Imidlertid er det et hydrofobt membranmateriale.

Polysulfon, polyetersulfon og polyfenylsulfon har lignende egenskaper. Hvis de skal brukes i brenselceller, kan deres hydrofilisitet generelt forbedres ved behandling med gule blomster.

Polyimid har høy luftpermeabilitet, selektivitet, god varmebestandighet, høy mekanisk styrke, kjemisk stabilitet og god løsningsmiddelbestandighet, og kan gjøres til en selvbærende asymmetrisk hulfibermembran med høy permeabilitetskoeffisient. Dårlig hydrofilitet, trenger sulfoneringsbehandling.

Polyimid studeres også mye som en protonutvekslingsmembran med gode framtidsutsikter.

Perfluorsulfonsyre PFSA, som en protonutvekslingsmembran, har funksjonen av vannoverføring under konsentrasjonsforskjell, og kan også brukes som en luftfuktermembran. Fluorholdige membraner inkluderer også Gores ePTFE ekspanderte polytetrafluoretylen og Ballards BAM3G delvis fluorerte protonutvekslingsmembran. Prisen er for dyr.

2. Polysulfon-serien, polyimid, fluorholdig sulfonsyremembran.

Hulfiberrørmembraner er hovedsakelig delt inn i porøse membraner, epidermale membraner og homogene membraner. I henhold til deres egenskaper kan de lages til ultrafiltreringsmembraner, forover/omvendt osmosemembraner, gasseparasjonsmembraner, hemodialysemembraner osv. Hulfibermembranen er karakterisert ved et stort overflateareal under samme volum.

Forberedelsesprosessen for hulfiberrør er hovedsakelig delt inn i løsningsspinningsmetode og smeltespinningsmetode. Løsningsspinningsmetoden krever et porogen for å produsere mikroporer på membranen, og generelt er porestørrelsen litt større, noe som er mer vanlig; smeltespinningsmetoden produserer mikroporer ved strekking, og de tekniske kravene er høye.

Den flate membranen er sammensatt av et tynt PFSA-mellomlag i midten og porøse lag på begge sider. Overflaten er relativt liten.

6. Intern fuktingsteknologi

I hjertet av fukting er vannhåndtering. Toyota trenger ikke en ekstern luftfukter gjennom temperaturkontroll og anodevannsirkulasjon. Innvendig fukting har også høye krav til stabelen og høyere krav til kontrollstrategier. I tillegg utføres vannbytting også gjennom porøse karbonplater på kollektorendeplaten, og vannbytte utføres ved å legge til en modul som ligner på en enkelt stabel i midten av stabelen.