技术文章

　　概览：
 

　　氢气生产是一个正在迅速发展壮大的产业。氢经济被认为是未来低碳经济的重要组成部分，它醉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。
 

　　市场增长的一个重要驱动因素是汽车行业，目前我们正进行加紧研究，旨在推动燃料电池技术在汽车市场的应用。
 

　　无论将燃料电池应用于何处，都无一不需要它们具备优异的质量。影响燃料电池质量的因素有很多，但在其制造和测试过程中准确测量和控制湿度至关重要。重点介绍如何进行湿度测量，以便即使在非常潮湿的环境中也能提供可靠的测量结果。
 

　　使用燃料电池技术的应用可以分为三大类：
 

　　1.便携式发电(用于移动设备和便携式辅助电源)
 

　　2.固定式发电(分布式发电、备用电源和并网电站)
 

　　3.运输(汽车、公共交通和重型机械)
 

　　通过适当加湿来提高燃料电池的效率和使用寿命：
 

　　一：燃料电池的工作原理
 

　　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。氢气生产是一个正在迅速发展壮大的产业。氢经济被认为是未来低碳经济的重要组成部分，它醉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。
 

　　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技术较通用，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。

　　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。
 

　　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。
 

　　PEM燃料电池的工作原理如图1所述。氢燃料在阳极处被分解为质子(氢离子)和电子时，通过外部电路使电子流向阴极，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。
 

　　二：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，醉终导致电池解体。
 

　　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加湿过程、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会被引导到催化表面。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。