Überblick über das Wachstum von Wasserstoff-Brennstoffzellen

Während des Reaktionsprozesses des Brennstoffzellenstapels muss die Protonenaustauschmembran eine bestimmte Feuchtigkeit aufrechterhalten, um eine hohe Reaktionseffizienz sicherzustellen. Daher muss das Reaktionsmedium eine bestimmte Menge Wasserdampf in den Stapel befördern. Dieser Schritt wird üblicherweise durch einen Luftbefeuchter realisiert. . In diesem Artikel wird der Brennstoffzellen-Luftbefeuchter unter sechs Aspekten analysiert: Prinzip der Wasserstoff-Brennstoffzelle, Grundprinzip der Wasserübertragung, Auswahl und Anwendungsanforderungen des Luftbefeuchters, Modell und Parameter des Luftbefeuchters, Membranmaterial und Hohlfaserrohrstruktur sowie Einführung in die interne Befeuchtungstechnologie.

1. Prinzip der Wasserstoff-Brennstoffzelle

H2 passiert in gasförmigem Zustand die Anoden-Kohlenstofffaser-Diffusionsschicht und wird an der katalytischen Schicht in H-Protonen und Elektronen aufgespalten. H-Protonen (im Zustand H3O+) passieren die Protonenaustauschmembran und verbinden sich mit O-Ionen an der katalytischen Kathodenschicht, um Wasser zu bilden.

Theoretisch kann die Protonenaustauschmembran nur Protonen passieren. Auf dem Membranmaterial befinden sich viele Sulfonatgruppen und nur im nassen Zustand kann es eine hohe Protonenleitfähigkeit aufweisen. Unter normalen Umständen müssen sowohl der Anodenwasserstoff als auch die Kathodenluft befeuchtet werden, und bei der Reaktion auf der Kathodenseite entsteht Wasser. Aufgrund des Gradientenunterschieds der Wasserkonzentration auf beiden Seiten wandert das Wasser durch die Membran auf die andere Seite.

2. Das Grundprinzip der Wasserübertragung

1. Prinzip der Wasserübertragung

Elektromigration: Wasserstoff liegt während des Leitungsprozesses normalerweise nicht im Zustand nackter Atomkerne vor, sondern wandert durch Wasserstoffbrückenbindungen und Wassermoleküle unter Bildung von Hydroniumionen, wodurch Wassermoleküle von der Anode zur Kathode wandern Protonen. Die Menge an elektromigriertem Wasser hängt von der Stromdichte und der Protonenhydratationszahl ab;

Rückdiffusion: Wasser wird an der Kathode gebildet, angetrieben durch den Wasserkonzentrationsgradienten auf beiden Seiten der Membran, Wasser wird von der Kathode zur Anode übertragen und die Wassermenge ist proportional zum Konzentrationsgradienten von Wasser und der Diffusion Wasserkoeffizient in der Membran und umgekehrt proportional zur Dicke der Membran.

Druckdifferenzwanderung: Angetrieben durch die Druckdifferenz auf beiden Seiten der Membran fließt Wasser von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite, und die Wassermenge ist proportional zum Druckgradienten und zum Permeabilitätskoeffizienten des Wassers in der Membran. und umgekehrt proportional zur Viskosität des Wassers in der Membran. Der Effekt ist minimal.

2. Wie beeinflusst der Wassergehalt die Leistung der Protonenaustauschmembran?

A. Kathodenluftfeuchtigkeit: Die relative Luftfeuchtigkeit steigt, was dazu führt, dass die Migration von Wasser, das an der Reaktionsschnittstelle zur Kathodendiffusionsschicht-Strömungskanalschnittstelle erzeugt wird, unterdrückt wird, wodurch die Migration von Wasser zur Anodenseite gefördert wird.

B. Lufttaupunkttemperatur der Kathode: Wenn die Lufttaupunkttemperatur steigt, wandert das durch die Reaktion erzeugte Wasser zur Anode, was den Wassergehalt in der Membran erhöht, die Protonenleitfähigkeit der Membran erhöht und das Ausgangspotential erhöht die Batterie. Wenn die Taupunkttemperatur der Luft zu hoch ist, ist die absolute Wassermenge in der Kathode zu groß, um in gasförmiger Form abgeführt zu werden, was zu Überschwemmungen führt. Gleichzeitig nimmt die Sauerstoffkonzentration ab, die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt ab; Der Stoffübergangswiderstand steigt, der ohmsche Widerstand der Membran nimmt zu und die Batterieleistung nimmt ab.

C. Stapeltemperatur: Wenn die Temperatur des Stapels steigt, steigt der Sättigungsdruck des Wasserdampfs, was die Verdunstung von Wasser in der Anodendiffusionsschicht fördert, die Migration der Wasserkonzentration fördert, die Protonenleitfähigkeit der Membran verbessert und verbessert die Leistung des Stacks.

D. Crossover-Effekt: Unter relativ trockenen Reaktionsbedingungen beschleunigt die Elektrode die Abbaurate des Membranelektrolyten, was zu einer Beschädigung der Membran führt und das Eindringen von Gas auf die andere Elektrodenseite ermöglicht.

E. Membranmetallioneneffekt und Katalysatorvergiftung: Übermäßige Feuchtigkeit erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Verunreinigungen die MEA verunreinigen. Schädliche Bestandteile wie Metallionen, CO und S aus der Umgebung sowie in der Batterie erzeugte Metallionen diffundieren mit überschüssigem Wasser. An die Oberfläche der Elektrode und der Membran gelangen Metallionen und der Katalysator vergiftet die Membran.

3. Auswahl des Luftbefeuchters und Anwendungsanforderungen

Bei der Auswahl des Luftbefeuchters werden hauptsächlich dessen Taupunkt in der Nähe der Temperatur, Strömungswiderstand, Temperatur- und Druckwiderstand, maximale Transmembran-Druckdifferenz usw. berücksichtigt.

1. Die Leistung und Zuverlässigkeit des Stapels erfordern den Wassergehalt

Bestimmen Sie die optimale Luftfeuchtigkeit im Stapel, indem Sie den Einfluss des Stapels auf die Ausgangsleistung des Stapels bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit (Wassergehalt) testen. Gleichzeitig sollte auch der Einfluss unterschiedlicher Wassergehalte auf die Lebensdauer des Stapels berücksichtigt werden.

2. Der Taupunkt des Luftbefeuchters liegt in der Nähe der Temperatur als Grund für die Bewertung seiner Befeuchtungsleistung

Luftbefeuchter für Brennstoffzellen sind Gasbefeuchtungstypen und erhalten normalerweise ein Nassgas, das auf der Nassseite nahezu gesättigt ist (anfänglicher Taupunkt auf der Nassseite), um zu sehen, wie feucht die trockene Luft sein kann (endgültiger Taupunkt auf der Nassseite). trockene Seite). Die Differenz zwischen dem anfänglichen Taupunkt auf der Nassseite und dem Endtaupunkt auf der Trockenseite wird als Taupunkt-Annäherungstemperatur definiert, die grundsätzlich die Befeuchtungsleistung des Luftbefeuchters beurteilen kann. Sie kann auch anhand der Wasserdurchlässigkeit der Membran g/(min.cm2) bewertet werden.

3. Zulässige mittlere Temperatur und Transmembrandruckdifferenz: Membranmaterial und Membranstruktur

Im Allgemeinen liegt die Temperaturbeständigkeit von Membranmaterialien bei über 100 °C. Gemäß den DOE-Anforderungen muss die Transmembran-Druckdifferenz >75 kPa betragen, und es ist schwierig, diesen Wert für nicht unterstützte ultradünne Hohlfaserrohre zu erreichen.

4. Zuverlässigkeit: Leistung, Leckage

Für allgemeine Zuverlässigkeitstests kann der Taupunkt mit der Temperatur vor und nach der Haltbarkeit verglichen werden; Die Filmschadensrate kann auch mit der Blasenmethode beurteilt werden.

4. Befeuchtermodell und Parameter

(1) Perma Pure, DuPont autorisiert ausschließlich Nafion-Hohlfaserrohre;

(2) KOLON, homogenes Polysulfon-Hohlfaserrohr;

(3) NOK, Polyphenylsulfon-Hohlfasermembran, nanoporös;

(4) Dpoint, unter Verwendung einer Sandwich-Verbund-Flachmembran Gore+PFSA.

5. Membranmaterial und Hohlfaserrohrstruktur

1. Polysulfon-Serie, Polyimid, fluorhaltige Sulfonsäuremembran

Polysulfon weist hervorragende mechanische Eigenschaften, chemische Stabilität, gute Wärmebeständigkeit, Beständigkeit gegen biologischen Abbau, hohe innere Porosität und stabile mikroporöse Struktur auf und wird häufig verwendet als Substrat für Gastrennmembranen. Allerdings handelt es sich um ein hydrophobes Membranmaterial.

Polysulfon, Polyethersulfon und Polyphenylsulfon haben ähnliche Eigenschaften. Sollen sie in Brennstoffzellen eingesetzt werden, kann ihre Hydrophilie in der Regel durch eine Gelbblütenbehandlung verbessert werden.

Polyimid weist eine hohe Luftdurchlässigkeit, Selektivität, gute Wärmebeständigkeit, hohe mechanische Festigkeit, chemische Stabilität und gute Lösungsmittelbeständigkeit auf und kann zu einer selbsttragenden asymmetrischen Hohlfasermembran mit hohem Permeabilitätskoeffizienten verarbeitet werden. Schlechte Hydrophilie, Sulfonierungsbehandlung erforderlich.

Polyimid wird auch intensiv als Protonenaustauschmembran mit guten Zukunftsaussichten untersucht.

Perfluorsulfonsäure PFSA hat als Protonenaustauschmembran die Funktion der Wasserübertragung bei Konzentrationsunterschieden und kann auch als Befeuchtermembran verwendet werden. Zu den fluorhaltigen Membranen gehören auch das expandierte ePTFE-Polytetrafluorethylen von Gore und die teilweise fluorierte Protonenaustauschmembran BAM3G von Ballard. Der Preis ist zu teuer.

2. Polysulfon-Serie, Polyimid, fluorhaltige Sulfonsäuremembran.

Hohlfaserrohrmembranen werden hauptsächlich in poröse Membranen, epidermale Membranen und homogene Membranen unterteilt. Je nach ihren Eigenschaften können sie zu Ultrafiltrationsmembranen, Vorwärts-/Umkehrosmosemembranen, Gastrennmembranen, Hämodialysemembranen usw. verarbeitet werden. Die Hohlfasermembran zeichnet sich durch eine große Oberfläche bei gleichem Volumen aus.

Der Herstellungsprozess von Hohlfaserrohren ist hauptsächlich in Lösungsspinnverfahren und Schmelzspinnverfahren unterteilt. Das Lösungsspinnverfahren erfordert ein Porogen, um Mikroporen auf der Membran zu erzeugen, und im Allgemeinen ist die Porengröße etwas größer, was häufiger verwendet wird; Beim Schmelzspinnverfahren entstehen durch Verstrecken Mikroporen, die technischen Anforderungen sind hoch.

Die Flachmembran besteht aus einer dünnen PFSA-Zwischenschicht in der Mitte und porösen Schichten auf beiden Seiten. Die Oberfläche ist relativ klein.

6. Interne Befeuchtungstechnologie

Im Mittelpunkt der Luftbefeuchtung steht das Wassermanagement. Toyota benötigt durch Temperaturregelung und Anodenwasserzirkulation keinen externen Luftbefeuchter. Auch die Innenbefeuchtung stellt hohe Anforderungen an den Kamin und höhere Anforderungen an die Steuerungsstrategien. Darüber hinaus erfolgt der Wasseraustausch auch über poröse Kohlenstoffplatten auf der Kollektorendplatte, und der Wasseraustausch erfolgt durch Hinzufügen eines Moduls, das einem einzelnen Stapel ähnelt, in der Mitte des Stapels.