Visão geral do crescimento da célula de combustível de hidrogênio

Durante o processo de reação da pilha de células de combustível, a membrana de troca de prótons precisa manter uma certa umidade para garantir uma alta eficiência de reação. Portanto, o meio de reação é necessário para transportar uma certa quantidade de vapor de água para a chaminé. Esta etapa geralmente é realizada por um umidificador. . Este artigo analisa o umidificador de célula de combustível de seis aspectos: princípio da célula de combustível de hidrogênio, princípio básico de transferência de água, seleção do umidificador e requisitos de aplicação, modelo e parâmetros do umidificador, material da membrana e estrutura do tubo de fibra oca e introdução da tecnologia de umidificação interna.

1. Princípio da célula de combustível de hidrogênio

H2 passa através da camada de difusão de fibra de carbono do ânodo em um estado gasoso e é separado em prótons e elétrons de H na camada catalítica. Os prótons H (no estado de H3O+) passam através da membrana de troca de prótons e se combinam com os íons O na camada catalítica do cátodo para formar água.

Teoricamente, a membrana de troca de prótons só pode passar prótons. Existem muitos grupos sulfonato no material da membrana e somente quando está úmido pode ter uma alta condutividade de prótons. Em circunstâncias normais, tanto o hidrogênio do ânodo quanto o ar do cátodo devem ser umidificados, e a reação no lado do cátodo produz água. Sob a diferença de gradiente de concentração de água em ambos os lados, a água migrará para o outro lado através da membrana.

2. O princípio básico da transferência de água

1. Princípio da transferência de água

Eletromigração: O hidrogênio geralmente não existe no estado de núcleos atômicos nus durante o processo de condução, mas migra através de ligações de hidrogênio e moléculas de água para formar íons de hidrônio, fazendo com que as moléculas de água migrem do ânodo para o cátodo com prótons. A quantidade de água eletromigrada está relacionada com a densidade de corrente e com o número de hidratação do próton;

Retrodifusão: A água é formada no cátodo, impulsionada pelo gradiente de concentração de água em ambos os lados da membrana, a água é transferida do cátodo para o ânodo e a quantidade de água é proporcional ao gradiente de concentração de água e à difusão coeficiente de água na membrana, e inversamente proporcional à espessura da membrana.

Migração da diferença de pressão: impulsionada pela diferença de pressão em ambos os lados da membrana, a água flui do lado de alta pressão para o lado de baixa pressão e a quantidade de água é proporcional ao gradiente de pressão e ao coeficiente de permeabilidade da água na membrana, e inversamente proporcional à viscosidade da água na membrana. O efeito é mínimo.

2. Como o teor de água afeta o desempenho da membrana de troca de prótons?

A. Umidade do ar do cátodo: A umidade relativa do ar aumenta, resultando na supressão da migração de água gerada na interface de reação para a interface camada de difusão do cátodo-canal de fluxo, promovendo assim a migração de água para o lado do ânodo.

B. Temperatura do ponto de orvalho do ar do cátodo: Quando a temperatura do ponto de orvalho do ar aumenta, a água gerada pela reação migra para o ânodo, o que aumenta o teor de água na membrana, aumenta a condutividade de prótons da membrana e aumenta o potencial de saída de a bateria. Se a temperatura do ponto de orvalho do ar for muito alta, a quantidade absoluta de água no cátodo é demais para ser retirada na forma gasosa, resultando em inundação. Ao mesmo tempo, a concentração de oxigênio diminui, a taxa de reação diminui; a resistência de transferência de massa aumenta, a resistência ôhmica da membrana aumenta e o desempenho da bateria diminui.

C. Temperatura da pilha: Quando a temperatura da pilha aumenta, a pressão de saturação do vapor de água aumenta, o que promove a evaporação da água na camada de difusão do ânodo, promove a migração da concentração de água, melhora a condutividade de prótons da membrana e melhora o desempenho da pilha.

D. Efeito cruzado: Em condições de reação relativamente secas, o eletrodo acelerará a taxa de degradação do eletrólito da membrana, resultando em danos à membrana e permitindo que o gás permeie para o outro lado do eletrodo.

E. Efeito do íon metálico da membrana e envenenamento do catalisador: A umidade excessiva aumentará a chance de impurezas contaminarem o MEA. Componentes nocivos, como íons metálicos, CO e S do ambiente e íons metálicos produzidos na bateria se difundirão com o excesso de água. Para a superfície do eletrodo e da membrana, causando íons metálicos e envenenamento do catalisador da membrana.

3. Seleção do umidificador e requisitos de aplicação

A seleção do umidificador considera principalmente seu ponto de orvalho próximo à temperatura, resistência ao fluxo, resistência à temperatura e pressão, diferença máxima de pressão transmembrana, etc. 1.

O desempenho e a confiabilidade da pilha exigem o teor de água

Ao testar a influência da chaminé na potência de saída da chaminé sob diferentes umidades do ar (teor de água), determine a umidade ideal do ar na chaminé; ao mesmo tempo, a influência de diferentes teores de água na vida útil da chaminé também deve ser considerada.

2. O ponto de orvalho do umidificador está próximo da temperatura como motivo para avaliar sua capacidade de umidificação

Os umidificadores para células de combustível são tipos de umidificação a gás e geralmente recebem um gás úmido que está próximo da saturação no lado úmido (ponto de orvalho inicial no lado úmido) para ver o quão úmido o ar seco pode ser (ponto de orvalho final no lado úmido). lado seco). A diferença entre o ponto de orvalho inicial no lado úmido e o ponto de orvalho final no lado seco é definida como a temperatura de aproximação do ponto de orvalho, que basicamente pode avaliar o desempenho de umidificação do umidificador. Também pode ser avaliada pela transmissibilidade de água da membrana g/(min.cm2).

3. Temperatura média admissível e diferença de pressão transmembrana: material da membrana e estrutura da membrana

Geralmente, a resistência à temperatura dos materiais da membrana é superior a 100°C. Nos requisitos do DOE, a diferença de pressão transmembrana deve ser >75kpa e é difícil atingir esse nível para tubos de fibra oca ultrafinos sem suporte.

4. Confiabilidade: desempenho, vazamento

Para testes gerais de confiabilidade, o ponto de orvalho pode ser comparado com a temperatura antes e depois da durabilidade; a taxa de dano do filme também pode ser julgada pelo método da bolha.

4. Modelo e parâmetros do umidificador

(1) Perma Pure, DuPont autoriza exclusivamente tubos de fibra oca Nafion;

(2) KOLON, tubo homogêneo de fibra oca de polissulfona;

(3) NOK, membrana de fibra oca de polifenilsulfona, nanoporosa;

(4) Dpoint, usando membrana plana composta tipo sanduíche Gore+PFSA.

5. Material da membrana e estrutura do tubo de fibra oca

1. Série de polissulfona, poliimida, membrana de ácido sulfônico contendo flúor

A polissulfona tem excelentes propriedades mecânicas, estabilidade química, boa resistência ao calor, resistência à biodegradação, alta porosidade interna e estrutura microporosa estável, e é frequentemente usada como substrato para membranas de separação de gases. No entanto, é um material de membrana hidrofóbico.

Polisulfona, poliétersulfona e polifenilsulfona têm propriedades semelhantes. Se eles forem usados ​​em células de combustível, sua hidrofilicidade geralmente pode ser melhorada pelo tratamento de flores amarelas.

A poliimida tem alta permeabilidade ao ar, seletividade, boa resistência ao calor, alta resistência mecânica, estabilidade química e boa resistência a solventes, e pode ser transformada em uma membrana de fibra oca assimétrica autoportante com alto coeficiente de permeabilidade. Baixa hidrofilicidade, precisa de tratamento de sulfonação.

A poliimida também está sendo estudada extensivamente como uma membrana de troca de prótons com boas perspectivas no futuro.

O ácido perfluorossulfônico PFSA, como membrana de troca de prótons, tem a função de transferência de água sob diferença de concentração e também pode ser usado como membrana umidificadora. As membranas contendo flúor também incluem o politetrafluoretileno expandido ePTFE da Gore e a membrana de troca de prótons parcialmente fluorada BAM3G da Ballard. O preço é muito caro.

2. Série de polissulfona, poliimida, membrana de ácido sulfônico contendo flúor

Membranas de tubo de fibra oca são divididas principalmente em membranas porosas, membranas epidérmicas e membranas homogêneas. De acordo com suas características, podem ser feitas em membranas de ultrafiltração, membranas de osmose direta/reversa, membranas de separação de gás, membranas de hemodiálise, etc. A membrana de fibra oca é caracterizada por uma grande área de superfície sob o mesmo volume.

O processo de preparação do tubo de fibra oca é dividido principalmente em método de fiação por solução e método de fiação por fusão. O método de fiação da solução requer um porogênio para produzir microporos na membrana e, geralmente, o tamanho do poro é um pouco maior, o que é mais comumente usado; o método de fiação por fusão produz microporos por estiramento e os requisitos técnicos são altos.

A membrana plana é composta por uma fina camada intermediária de PFSA no centro e camadas porosas em ambos os lados. A área de superfície é relativamente pequena.

6. Tecnologia de umidificação interna

No coração da umidificação está o gerenciamento da água. Toyota não precisa de um umidificador externo através de controle de temperatura e circulação de água anódica. A umidificação interna também tem altos requisitos para a pilha e requisitos mais altos para estratégias de controle. Além disso, a troca de água também é realizada através de placas de carbono poroso na placa final do coletor, e a troca de água é realizada adicionando um módulo semelhante a uma única pilha no meio da pilha.