利用*佳湿化*大程度提高燃料电池的效率和寿命

利用*佳湿化*大程度提高燃料电池的效率和寿命

文章来源：vaisala

“维萨拉湿度传感器在我们的研究中很有帮助。了解反应气体的湿度对于低温和高温燃料电池都很重要。”Mikko Kotisaari，VTT 燃料电池研究科学家

制氢是一个不断增长的巨大产业。氢经济被认为是未来低碳经济的重要组成部分，它*终将替代矿物燃料成为我们的主要能源来源并缓解全球变暖趋势。氢的一个主要优势是适用于多种不同的燃料电池应用场合。

使用燃料电池技术的应用可以分为三大类：便携式发电（用于移动设备和便携式辅助电源）、固定发电（分布式发电、备用电源和并网电站）以及运输领域（汽车、公共交通和重型机械）。市场增长的一个重要驱动因素是汽车行业，目前在进行密集加紧研究，旨在推动燃料电池技术在汽车市场的应用。

工作原理

燃料电池直接将化学能转换为电能，不经过任何燃烧过程。燃料电池的工作原理基于氧化还原反应。在氢和氧发生反应时释放能量。这个直接过程具有高能效的优势（效率超过 50%），如果产生的热能也被回收，效率可达到 85%。从发电角度来看，它超过了任何燃烧过程的效率。其他优势还包括工作场所零排放、静音工作等。

每种燃料电池技术都有自身的优势和不足。当今市场上的三大技术是按质子载体介质来区分的：聚合物电解质膜 (PEM)、固体氧化物 (SO) 和熔融碳酸盐 (MC)。从应用角度看，其中 PEM 技术是*通用的，因为它的工作温度低 (<100 °C)，这使得它同时适用于小型和大型燃料电池。固体氧化物燃料电池涉及高温，*适合较大型应用，如分布式发电。但是 PEM燃料电池是纯氢电池，SOFC 燃料电池则可以使用天然气或其他碳氢化合物，在重整过程中从这些物质中提取氢。SOFC 燃料电池的工作温度高，这样更易于将重整阶段整合到燃料电池装置。

图 1 中描述了 PEM 燃料电池的工作原理。氢燃料在阳极被分解为质子（氢离子）和电子时，通过外部电路将电子运输到阴极，从而产生电流。通过阴极的湿膜运输正电荷载体（氢原子核），在阴极氢原子核与氧反应生成水。此反应会产生电流和热量。

图 1：PEM 燃料电池的工作原理。在催化剂作用下氢燃料在阳极发生反应，形成电子和氢原子核。这些核通过电荷载体介质被运输到阴极，在阴极与氧反应生成水。电子流过外部电路，产生电流。

*大程度提高燃料电池的效率

燃料电池的效率受限于各种损耗：催化反应和催化剂状况引起的活性损耗，在质子运输期间运输介质中发生的欧姆损耗，到反应表面的质量传递速度受限制导致的浓度损耗，以及当燃料在膜中扩散而不发生反应时导致的内部电流。引起损耗的原因与电池中水和温度的管理有关。如果没有很好地控制温度和水分，催化剂和质子运输介质的老化会增加损耗，降低效率，*终导致电池解体。

较小的 PEM 电池通常不需要湿化，但在携带较高电流的较大电池中，聚合物膜可能需要进行反应物湿化以防止它在负载下脱水。质子交换容量与聚合物水分成正比，干聚合物将限制反应速度并导致电池损耗。

与干聚合物有关的另一个考虑因素是其使用寿命，这是设计燃料电池时要关注的主要问题之一。另一方面，如果未及时将生成的水从电池的阴极一侧除去，水淹将导致电池性能不佳。燃料流中的湿度测量可帮助控制湿化过程、估计水的质量平衡并维持正常的膜水分。

为了提高反应效率，大量的反应气体可能引导到催化表面。来自阳极出口的潮湿未反应燃料可再循环回到阳极入口，以湿化燃料流。这种再循环可能导致污染物积聚，这对于 PEM 燃料电池尤为有害。

除了控制燃料流湿度之外，阳极和阴极流的湿度测量可用于杂质测量 – 当总压以及氢和水的分压已知时，可以估计循环回路中杂质的分压。