Tổng quan về sự phát triển của pin nhiên liệu hydro

Trong quá trình phản ứng của ngăn pin nhiên liệu, màng trao đổi proton cần duy trì độ ẩm nhất định để đảm bảo hiệu suất phản ứng cao. Do đó, môi trường phản ứng được yêu cầu mang một lượng hơi nước nhất định vào ngăn xếp. Bước này thường được thực hiện bằng máy tạo độ ẩm. . Bài viết này phân tích máy tạo độ ẩm pin nhiên liệu từ sáu khía cạnh: nguyên lý pin nhiên liệu hydro, nguyên tắc cơ bản của truyền nước, lựa chọn máy tạo độ ẩm và yêu cầu ứng dụng, mô hình và thông số của máy tạo độ ẩm, vật liệu màng và cấu trúc ống sợi rỗng, và giới thiệu công nghệ tạo độ ẩm bên trong.

1. Nguyên lý pin nhiên liệu hydro

H2 đi qua lớp khuếch tán sợi carbon cực dương ở trạng thái khí và được tách thành H proton và electron ở lớp xúc tác. Các proton H (ở trạng thái H3O+) đi qua màng trao đổi proton và kết hợp với ion O ở lớp xúc tác catốt để tạo thành nước.

Về mặt lý thuyết, màng trao đổi proton chỉ có thể cho proton đi qua. Có nhiều nhóm sulfonate trên vật liệu màng và chỉ khi ướt, nó mới có độ dẫn proton cao. Trong trường hợp bình thường, cả hydro ở cực dương và không khí ở cực âm đều phải được làm ẩm và phản ứng ở phía cực âm sẽ tạo ra nước. Dưới sự chênh lệch độ dốc của nồng độ nước ở cả hai phía, nước sẽ di chuyển sang phía bên kia qua màng.

2. Nguyên lý chuyển nước cơ bản

1. Nguyên lý chuyển nước

Electromigration: Hydro thường không tồn tại ở trạng thái hạt nhân nguyên tử trần trong quá trình dẫn điện mà di chuyển nhờ liên kết hydro và phân tử nước để tạo thành ion hydroni, khiến các phân tử nước di chuyển từ cực dương sang cực âm với proton. Lượng nước điện di có liên quan đến mật độ hiện tại và liên quan đến số hydrat hóa proton;

Khuếch tán ngược: Nước được hình thành ở cực âm, được điều khiển bởi gradient nồng độ nước ở cả hai bên của màng, nước được chuyển từ cực âm sang cực dương và lượng nước tỷ lệ thuận với gradient nồng độ của nước và sự khuếch tán hệ số nước trong màng, và tỷ lệ nghịch với độ dày của màng.

Di chuyển chênh lệch áp suất: Được thúc đẩy bởi sự chênh lệch áp suất ở cả hai bên của màng, nước chảy từ phía áp suất cao sang phía áp suất thấp và lượng nước tỷ lệ thuận với độ dốc áp suất và hệ số thấm của nước trong màng, và tỷ lệ nghịch với độ nhớt của nước trong màng. Hiệu quả là tối thiểu.

2. Hàm lượng nước ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của màng trao đổi proton?

A. Độ ẩm không khí ở cực âm: Độ ẩm tương đối của không khí tăng lên, dẫn đến ngăn chặn sự di chuyển của nước được tạo ra ở giao diện phản ứng sang giao diện kênh dòng chảy lớp khuếch tán ở cực âm, do đó thúc đẩy sự di chuyển của nước sang phía cực dương.

B. Nhiệt độ điểm sương của không khí ở cực âm: Khi nhiệt độ điểm sương của không khí tăng lên, nước do phản ứng tạo ra sẽ di chuyển đến cực dương, làm tăng hàm lượng nước trong màng, tăng cường độ dẫn proton của màng và tăng tiềm năng đầu ra của cục pin. Nếu nhiệt độ điểm sương của không khí quá cao, lượng nước tuyệt đối trong cực âm quá nhiều sẽ bị lấy đi ở dạng khí, dẫn đến ngập lụt. đồng thời nồng độ oxi giảm, tốc độ phản ứng giảm; điện trở truyền khối tăng, điện trở ohmic của màng tăng và hiệu suất của pin giảm.

C. Nhiệt độ ngăn xếp: Khi nhiệt độ của ngăn xếp tăng lên, áp suất bão hòa của hơi nước tăng lên, thúc đẩy quá trình bay hơi nước trong lớp khuếch tán cực dương, thúc đẩy sự di chuyển của nồng độ nước, cải thiện độ dẫn proton của màng và cải thiện hiệu năng của ngăn xếp.

D. Hiệu ứng chéo: Trong điều kiện phản ứng tương đối khô, điện cực sẽ đẩy nhanh tốc độ phân hủy của chất điện phân màng, dẫn đến màng bị hỏng và cho phép khí thấm sang phía điện cực kia.

E. Hiệu ứng ion kim loại màng và ngộ độc chất xúc tác: Độ ẩm quá cao sẽ làm tăng khả năng tạp chất gây ô nhiễm MEA. Các thành phần có hại như ion kim loại, CO, S từ môi trường và các ion kim loại sinh ra trong pin sẽ khuếch tán theo lượng nước dư thừa. Lên bề mặt điện cực và màng, gây ngộ độc các ion kim loại và chất xúc tác của màng.

3. Yêu cầu ứng dụng và lựa chọn máy tạo ẩm

Việc lựa chọn máy tạo ẩm chủ yếu xem xét điểm sương của nó gần với nhiệt độ, khả năng chống dòng chảy, khả năng chịu nhiệt độ và áp suất, chênh lệch áp suất xuyên màng tối đa, v.v. 1. Hiệu suất

và độ tin cậy của ngăn xếp yêu cầu hàm lượng nước

Bằng cách kiểm tra ảnh hưởng của ngăn xếp đến công suất đầu ra của ngăn xếp dưới độ ẩm không khí khác nhau (hàm lượng nước), xác định độ ẩm không khí tối ưu vào ngăn xếp; đồng thời, cũng cần xem xét ảnh hưởng của hàm lượng nước khác nhau đến tuổi thọ của ống khói.

2. Điểm sương của máy tạo ẩm gần với nhiệt độ là lý do để đánh giá khả năng tạo ẩm của nó

Máy làm ẩm cho pin nhiên liệu là loại làm ẩm bằng khí và thường được cung cấp một loại khí ẩm gần bão hòa ở phía ướt (điểm sương ban đầu ở phía ướt) để xem độ ẩm của không khí khô (điểm sương cuối cùng ở phía ẩm). mặt khô). Sự khác biệt giữa điểm sương ban đầu ở phía ướt và điểm sương cuối cùng ở phía khô được định nghĩa là nhiệt độ tiếp cận điểm sương, về cơ bản có thể đánh giá hiệu suất làm ẩm của máy tạo độ ẩm. Nó cũng có thể được đánh giá bằng khả năng truyền nước của màng g/(min.cm2).

3. Chênh lệch áp suất xuyên màng và nhiệt độ trung bình cho phép: vật liệu màng và cấu trúc màng

Nói chung, khả năng chịu nhiệt độ của vật liệu màng là trên 100°C. Theo yêu cầu của DOE, chênh lệch áp suất xuyên màng phải >75kpa và rất khó đạt được mức này đối với các ống sợi rỗng siêu mỏng không được hỗ trợ.

4. Độ tin cậy: hiệu suất, rò rỉ

Đối với các bài kiểm tra độ tin cậy chung, điểm sương có thể được so sánh với nhiệt độ trước và sau độ bền; tỷ lệ thiệt hại của phim cũng có thể được đánh giá bằng phương pháp bong bóng.

4. Model và thông số máy tạo độ ẩm

(1) Perma Pure, DuPont độc quyền ủy quyền cho ống sợi rỗng Nafion;

(2) KOLON, ống sợi rỗng đồng nhất polysulfone;

(3) NOK, màng sợi rỗng polyphenylsulfone, nanô;

(4) Dpoint, sử dụng màng phẳng composite sandwich Gore+PFSA.

5. Vật liệu màng và cấu trúc ống sợi rỗng

1. Dòng polysulfone, polyimide, màng axit sulfonic chứa flo

Polysulfone có tính chất cơ học tuyệt vời, ổn định hóa học, chịu nhiệt tốt, chống phân hủy sinh học, độ xốp bên trong cao và cấu trúc vi xốp ổn định, thường được sử dụng làm chất nền cho màng tách khí. Tuy nhiên, nó là một vật liệu màng kỵ nước.

Polysulfone, polyethersulfone và polyphenylsulfone có tính chất tương tự nhau. Nếu chúng được sử dụng trong pin nhiên liệu, tính ưa nước của chúng nói chung có thể được cải thiện bằng cách xử lý hoa màu vàng.

Polyimide có tính thấm khí cao, tính chọn lọc, khả năng chịu nhiệt tốt, độ bền cơ học cao, tính ổn định hóa học và khả năng kháng dung môi tốt, có thể chế tạo thành màng sợi rỗng không đối xứng tự hỗ trợ với hệ số thấm cao. Tính ưa nước kém, cần xử lý sulfon hóa.

Polyimide cũng đang được nghiên cứu rộng rãi như một màng trao đổi proton với triển vọng tốt trong tương lai.

Axit perfluorosulfonic PFSA, như một màng trao đổi proton, có chức năng truyền nước dưới sự chênh lệch nồng độ, và cũng có thể được sử dụng làm màng tạo độ ẩm. Màng chứa flo cũng bao gồm màng trao đổi proton ePTFE mở rộng ePTFE của Gore và màng trao đổi proton BAM3G được flo hóa một phần của Ballard. Giá quá đắt.

2. Dòng polysulfone, polyimide, màng axit sulfonic chứa flo

Màng ống sợi rỗng chủ yếu được chia thành màng xốp, màng biểu bì và màng đồng nhất. Theo đặc điểm của chúng, chúng có thể được chế tạo thành màng siêu lọc, màng thẩm thấu thuận/nghịch, màng tách khí, màng chạy thận nhân tạo, v.v. Màng sợi rỗng có đặc điểm là diện tích bề mặt lớn dưới cùng một thể tích.

Quy trình chuẩn bị ống sợi rỗng chủ yếu được chia thành phương pháp kéo sợi dung dịch và phương pháp kéo sợi nóng chảy. Phương pháp kéo sợi dung dịch yêu cầu porogen để tạo ra các lỗ nhỏ trên màng và kích thước lỗ thường lớn hơn một chút, được sử dụng phổ biến hơn; phương pháp kéo sợi nóng chảy tạo ra các lỗ nhỏ bằng cách kéo dài và yêu cầu kỹ thuật cao.

Màng phẳng bao gồm một lớp xen kẽ PFSA mỏng ở trung tâm và các lớp xốp ở cả hai bên. Diện tích bề mặt tương đối nhỏ.

6. Công nghệ tạo ẩm bên trong

Trọng tâm của việc tạo ẩm là quản lý nước. Toyota không cần máy tạo độ ẩm bên ngoài thông qua kiểm soát nhiệt độ và tuần hoàn nước cực dương. Làm ẩm bên trong cũng có yêu cầu cao đối với ngăn xếp và yêu cầu cao hơn đối với các chiến lược kiểm soát. Ngoài ra, quá trình trao đổi nước cũng được thực hiện thông qua các tấm carbon xốp trên tấm cuối của bộ thu và quá trình trao đổi nước được thực hiện bằng cách thêm một mô-đun tương tự như một ngăn xếp duy nhất vào giữa ngăn xếp.