ภาพรวมของการเติบโตของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

ในระหว่างกระบวนการเกิดปฏิกิริยาของกองเซลล์เชื้อเพลิง เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนจำเป็นต้องรักษาระดับความชื้นไว้เพื่อให้มั่นใจว่ามีประสิทธิภาพของปฏิกิริยาสูง ดังนั้น ตัวกลางปฏิกิริยาจึงจำเป็นต้องนำพาไอน้ำจำนวนหนึ่งเข้าไปในสแต็ค ขั้นตอนนี้มักจะใช้เครื่องทำความชื้น . บทความนี้วิเคราะห์เครื่องทำความชื้นเซลล์เชื้อเพลิงจากหกแง่มุม: หลักการเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน หลักการพื้นฐานของการถ่ายโอนน้ำ การเลือกเครื่องทำความชื้นและข้อกำหนดการใช้งาน รุ่นและพารามิเตอร์เครื่องทำความชื้น วัสดุเมมเบรนและโครงสร้างท่อใยกลวง และแนะนำเทคโนโลยีการทำความชื้นภายใน

1. หลักการของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

H2 ผ่านชั้นการแพร่กระจายของเส้นใยคาร์บอนแอโนดในสถานะก๊าซ และถูกแยกออกเป็น H โปรตอนและอิเล็กตรอนที่ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา โปรตอน H (ในสถานะของ H3O+) ผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนและรวมตัวกับไอออน O ที่ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทดเพื่อสร้างน้ำ

ตามทฤษฎีแล้ว เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนสามารถผ่านโปรตอนได้เท่านั้น มีกลุ่มซัลโฟเนตจำนวนมากบนวัสดุเมมเบรน และเมื่อเปียกเท่านั้นจึงจะสามารถมีการนำโปรตอนสูงได้ ภายใต้สถานการณ์ปกติ ทั้งไฮโดรเจนแอโนดและอากาศแคโทดจะต้องถูกทำให้ชื้น และปฏิกิริยาที่ด้านแคโทดจะผลิตน้ำ ภายใต้ความต่างระดับของความเข้มข้นของน้ำทั้งสองด้าน น้ำจะเคลื่อนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ไปยังอีกด้านหนึ่ง

2. หลักการพื้นฐานของการถ่ายโอนน้ำ

1. หลักการถ่ายเทน้ำ

ด้วยไฟฟ้า (Electromigration) ไฮโดรเจนมักไม่มีอยู่ในสถานะของนิวเคลียสอะตอมเปลือยในระหว่างกระบวนการนำไฟฟ้า แต่จะเคลื่อนที่ผ่านพันธะไฮโดรเจนและโมเลกุลของน้ำเพื่อสร้างไฮโดรเนียมไอออน ทำให้โมเลกุลของน้ำย้ายจากขั้วบวกไปยังขั้วลบด้วย โปรตอน ปริมาณของน้ำที่ใช้ไฟฟ้าจะสัมพันธ์กับความหนาแน่นกระแสและเกี่ยวข้องกับจำนวนโปรตอนไฮเดรชัน

การแพร่กลับ: น้ำเกิดขึ้นที่แคโทด ขับเคลื่อนโดยการไล่ระดับความเข้มข้นของน้ำทั้งสองด้านของเมมเบรน น้ำถูกถ่ายโอนจากแคโทดไปยังแอโนด และปริมาณน้ำจะแปรผันตามการไล่ระดับความเข้มข้นของน้ำและการแพร่กระจาย ค่าสัมประสิทธิ์ของน้ำในเมมเบรนและแปรผกผันกับความหนาของเมมเบรน

การโยกย้ายความแตกต่างของความดัน: ขับเคลื่อนโดยความแตกต่างของความดันทั้งสองด้านของเมมเบรน น้ำไหลจากด้านความดันสูงไปยังด้านความดันต่ำ และปริมาณของน้ำเป็นสัดส่วนกับการไล่ระดับความดันและค่าสัมประสิทธิ์การซึมผ่านของน้ำในเมมเบรน และแปรผกผันกับความหนืดของน้ำในเมมเบรน ผลกระทบมีน้อย

2. ปริมาณน้ำส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนอย่างไร?

A. ความชื้นในอากาศแคโทด: ความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดการยับยั้งการอพยพของน้ำที่สร้างขึ้นที่ส่วนติดต่อของปฏิกิริยาไปยังส่วนต่อประสานช่องการไหลของเลเยอร์การแพร่กระจายของแคโทด ดังนั้นจึงส่งเสริมการอพยพของน้ำไปยังด้านแอโนด

B. อุณหภูมิจุดน้ำค้างในอากาศแคโทด: เมื่ออุณหภูมิจุดน้ำค้างอากาศสูงขึ้น น้ำที่เกิดจากปฏิกิริยาจะย้ายไปยังขั้วบวก ซึ่งจะเพิ่มปริมาณน้ำในเมมเบรน ช่วยเพิ่มการนำโปรตอนของเมมเบรน และเพิ่มศักยภาพเอาต์พุตของ แบตเตอรี่. หากอุณหภูมิจุดน้ำค้างในอากาศสูงเกินไป ปริมาณน้ำในแคโทดจะมากเกินไปจนไม่สามารถกำจัดออกไปในรูปของก๊าซได้ ส่งผลให้เกิดน้ำท่วม ในเวลาเดียวกัน ความเข้มข้นของออกซิเจนลดลง อัตราการเกิดปฏิกิริยาลดลง ความต้านทานการถ่ายโอนมวลเพิ่มขึ้น ความต้านทานโอห์มของเมมเบรนเพิ่มขึ้น และประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลง

C. อุณหภูมิของสแต็ค: เมื่ออุณหภูมิของสแต็คเพิ่มขึ้น ความดันอิ่มตัวของไอน้ำจะเพิ่มขึ้น ซึ่งส่งเสริมการระเหยของน้ำในชั้นการแพร่กระจายของแอโนด ส่งเสริมการย้ายถิ่นของความเข้มข้นของน้ำ ปรับปรุงการนำโปรตอนของเมมเบรน และปรับปรุง ประสิทธิภาพของสแต็ก

D. เอฟเฟกต์ครอสโอเวอร์: ภายใต้สภาวะปฏิกิริยาที่ค่อนข้างแห้ง อิเล็กโทรดจะเร่งอัตราการย่อยสลายของอิเล็กโทรไลต์เมมเบรน ส่งผลให้เมมเบรนเสียหายและปล่อยให้ก๊าซซึมผ่านไปยังอีกด้านของอิเล็กโทรด

E. ผลกระทบของไอออนโลหะเมมเบรนและพิษของตัวเร่งปฏิกิริยา: ความชื้นที่มากเกินไปจะเพิ่มโอกาสที่สิ่งเจือปนจะปนเปื้อนการไฟฟ้านครหลวง ส่วนประกอบที่เป็นอันตราย เช่น ไอออนโลหะ CO และ S จากสิ่งแวดล้อม และไอออนโลหะที่ผลิตในแบตเตอรี่จะฟุ้งกระจายไปกับน้ำส่วนเกิน ไปที่ผิวของอิเล็กโทรดและเมมเบรน ทำให้เกิดพิษของไอออนโลหะและตัวเร่งปฏิกิริยาของเมมเบรน

3. การเลือกเครื่องทำความชื้นและข้อกำหนดการใช้งาน การ

เลือกเครื่องทำความชื้นส่วนใหญ่พิจารณาจากจุดน้ำค้างใกล้กับอุณหภูมิ ความต้านทานการไหล ความต้านทานต่ออุณหภูมิและความดัน ความแตกต่างของความดันเมมเบรนสูงสุด เป็นต้น 1. ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ

ของสแต็คต้องการปริมาณน้ำ

โดยการทดสอบอิทธิพลของสแต็คต่อกำลังเอาต์พุตของสแต็คภายใต้ความชื้นอากาศที่แตกต่างกัน (ปริมาณน้ำ) กำหนดความชื้นในอากาศที่เหมาะสมในสแต็ค ในเวลาเดียวกัน ควรพิจารณาถึงอิทธิพลของปริมาณน้ำที่แตกต่างกันต่ออายุการใช้งานของสแต็คด้วย

2. จุดน้ำค้างของเครื่องทำความชื้นอยู่ใกล้กับอุณหภูมิเป็นเหตุผลในการประเมินความสามารถในการทำความชื้น

เครื่องทำความชื้นสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงเป็นประเภทเพิ่มความชื้นด้วยก๊าซ และมักจะให้ก๊าซเปียกที่ด้านเปียกซึ่งใกล้เคียงกับความอิ่มตัว (จุดน้ำค้างเริ่มต้นที่ด้านเปียก) เพื่อดูว่าอากาศแห้งจะชื้นได้อย่างไร (จุดน้ำค้างสุดท้ายที่ ด้านแห้ง) ความแตกต่างระหว่างจุดน้ำค้างเริ่มต้นที่ด้านเปียกและจุดน้ำค้างสุดท้ายที่ด้านแห้งถูกกำหนดเป็นอุณหภูมิเข้าใกล้จุดน้ำค้าง ซึ่งสามารถประเมินประสิทธิภาพการทำความชื้นของเครื่องเพิ่มความชื้นโดยทั่วไปได้ นอกจากนี้ยังสามารถประเมินได้จากความสามารถในการซึมผ่านของน้ำเมมเบรน g/(min.cm2)

3. อุณหภูมิปานกลางที่อนุญาตและความแตกต่างของความดันเมมเบรน: วัสดุเมมเบรนและโครงสร้างเมมเบรน

โดยทั่วไป ความต้านทานต่ออุณหภูมิของวัสดุเมมเบรนจะสูงกว่า 100°C ตามข้อกำหนดของ DOE ความแตกต่างของแรงดันเมมเบรนต้องมากกว่า 75kpa และเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุระดับนี้สำหรับท่อใยกลวงบางพิเศษที่ไม่รองรับ

4. ความน่าเชื่อถือ: ประสิทธิภาพ การรั่วไหล

สำหรับการทดสอบความน่าเชื่อถือทั่วไป จุดน้ำค้างสามารถเปรียบเทียบได้กับอุณหภูมิก่อนและหลังความทนทาน อัตราความเสียหายของฟิล์มสามารถตัดสินได้ด้วยวิธีฟองสบู่

4. รุ่นและพารามิเตอร์ของเครื่องทำความชื้น

(1) Perma Pure, DuPont อนุญาตเฉพาะท่อใยกลวงของ Nafion;

(2) KOLON, ท่อใยกลวงที่เป็นเนื้อเดียวกันโพลีซัลโฟน;

(3) NOK, เมมเบรนใยกลวงโพลีฟีนิลซัลโฟน, รูพรุนระดับนาโน;

(4) Dpoint โดยใช้เมมเบรนแบนคอมโพสิตแบบแซนวิช Gore+PFSA

5. วัสดุเมมเบรนและโครงสร้างท่อใยกลวง

1. ชุดโพลีซัลโฟน, โพลีอิไมด์, เมมเบรนกรดซัล

โฟนิกที่มีฟลูออรีน โพลีซัลโฟนมีสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม, เสถียรภาพทางเคมี, ทนความร้อนได้ดี, ต้านทานการย่อยสลายทางชีวภาพ, ความพรุนภายในสูง และโครงสร้างรูพรุนขนาดเล็กที่เสถียร และมักใช้ เป็นสารตั้งต้นสำหรับเยื่อแยกก๊าซ อย่างไรก็ตาม เป็นวัสดุเมมเบรนที่ไม่ชอบน้ำ

โพลีซัลโฟน โพลีอีเทอร์ซัลโฟน และโพลีฟีนิลซัลโฟน มีคุณสมบัติคล้ายกัน หากนำไปใช้ในเซลล์เชื้อเพลิง ความสามารถในการชอบน้ำโดยทั่วไปสามารถปรับปรุงได้โดยการบำบัดด้วยดอกไม้สีเหลือง

โพลิอิไมด์มีความสามารถในการซึมผ่านของอากาศสูง มีความสามารถในการคัดเลือกสูง ทนความร้อนได้ดี มีความแข็งแรงเชิงกลสูง มีความเสถียรทางเคมี และทนต่อตัวทำละลายได้ดี และสามารถทำเป็นเมมเบรนเส้นใยกลวงแบบอสมมาตรที่รองรับตัวเองได้ด้วยค่าสัมประสิทธิ์การซึมผ่านสูง ความชอบน้ำไม่ดี ต้องการการบำบัดด้วยซัลโฟเนชัน

Polyimide ยังได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในฐานะเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนที่มีแนวโน้มที่ดีในอนาคต

กรดเปอร์ฟลูออโรซัลโฟนิก PFSA เป็นเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน มีหน้าที่ถ่ายโอนน้ำภายใต้ความแตกต่างของความเข้มข้น และยังสามารถใช้เป็นเมมเบรนสำหรับเพิ่มความชื้นได้อีกด้วย เมมเบรนที่มีฟลูออรีนยังรวมถึงโพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีนแบบขยาย ePTFE ของ Gore และเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน BAM3G ของ Ballard ที่มีฟลูออรีนบางส่วน ราคาแพงเกินไป

2. Polysulfone series, polyimide, เมมเบรนกรดซัลโฟนิกที่มีฟลูออรีน เมมเบ

รนท่อใยกลวงส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นเมมเบรนที่มีรูพรุน, เยื่อหุ้มผิวหนังชั้นนอก, และเยื่อที่เป็นเนื้อเดียวกัน ตามลักษณะของมัน พวกมันสามารถถูกสร้างเป็นเยื่ออัลตราฟิลเตรชั่น, เยื่อกรองออสโมซิไปข้างหน้า/ย้อนกลับ, เยื่อแยกก๊าซ, เยื่อกรองฟอกเลือด, ฯลฯ เยื่อเยื่อใยกลวงมีลักษณะพิเศษคือมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ภายใต้ปริมาตรเดียวกัน

ขั้นตอนการเตรียมท่อใยกลวงแบ่งออกเป็นวิธีการปั่นสารละลายและวิธีการปั่นละลาย วิธีการปั่นสารละลายต้องใช้โพโรเจนเพื่อผลิตไมโครพอร์บนเมมเบรน และโดยทั่วไปขนาดของรูพรุนจะใหญ่กว่าเล็กน้อย ซึ่งใช้กันทั่วไปมากกว่า วิธีการปั่นแบบละลายทำให้เกิด micropores โดยการยืดออก และข้อกำหนดทางเทคนิคก็สูง

เมมเบรนแบนประกอบด้วยชั้น PFSA บาง ๆ ตรงกลางและชั้นที่มีรูพรุนทั้งสองด้าน พื้นที่ผิวค่อนข้างน้อย

6. เทคโนโลยีความชื้นภายใน

หัวใจสำคัญของการทำความชื้นคือการจัดการน้ำ โตโยต้าไม่ต้องการเครื่องเพิ่มความชื้นภายนอกผ่านการควบคุมอุณหภูมิและการไหลเวียนของน้ำขั้วบวก การทำความชื้นภายในยังมีความต้องการสูงสำหรับกองซ้อนและความต้องการที่สูงขึ้นสำหรับกลยุทธ์การควบคุม นอกจากนี้ การแลกเปลี่ยนน้ำยังดำเนินการผ่านแผ่นคาร์บอนที่มีรูพรุนบนแผ่นท้ายของคอลเลคเตอร์ และการแลกเปลี่ยนน้ำจะดำเนินการโดยการเพิ่มโมดูลที่คล้ายกับสแต็กเดียวที่ตรงกลางของสแต็ค