Descripción general del crecimiento de las celdas de combustible de hidrógeno

Durante el proceso de reacción de la pila de celdas de combustible, la membrana de intercambio de protones debe mantener cierta humedad para garantizar una alta eficiencia de reacción. Por lo tanto, se requiere que el medio de reacción lleve una cierta cantidad de vapor de agua a la pila. Este paso se suele realizar con un humidificador. . Este artículo analiza el humidificador de celda de combustible desde seis aspectos: el principio de la celda de combustible de hidrógeno, el principio básico de la transferencia de agua, la selección del humidificador y los requisitos de aplicación, el modelo y los parámetros del humidificador, el material de la membrana y la estructura del tubo de fibra hueca, y la introducción de la tecnología de humidificación interna.

1. Principio de la pila de combustible de hidrógeno

El H2 pasa a través de la capa de difusión de fibra de carbono del ánodo en estado gaseoso y se separa en protones y electrones H en la capa catalítica. Los protones H (en el estado de H3O+) pasan a través de la membrana de intercambio de protones y se combinan con iones O en la capa catalítica del cátodo para formar agua.

Teóricamente, la membrana de intercambio de protones solo puede pasar protones. Hay muchos grupos de sulfonato en el material de la membrana, y solo cuando está húmedo puede tener una alta conductividad de protones. En circunstancias normales, tanto el hidrógeno del ánodo como el aire del cátodo deben humidificarse y la reacción en el lado del cátodo produce agua. Bajo la diferencia de gradiente de concentración de agua en ambos lados, el agua migrará al otro lado a través de la membrana.

2. El principio básico de la transferencia de agua.

1. Principio de la transferencia de agua

Electromigración: el hidrógeno generalmente no existe en el estado de núcleos atómicos desnudos durante el proceso de conducción, sino que migra a través de enlaces de hidrógeno y moléculas de agua para formar iones de hidronio, lo que hace que las moléculas de agua migren del ánodo al cátodo con protones La cantidad de agua electromigrada está relacionada con la densidad de corriente y con el número de hidratación de protones;

Retrodifusión: el agua se forma en el cátodo, impulsada por el gradiente de concentración de agua en ambos lados de la membrana, el agua se transfiere del cátodo al ánodo y la cantidad de agua es proporcional al gradiente de concentración de agua y la difusión coeficiente de agua en la membrana, e inversamente proporcional al espesor de la membrana.

Migración por diferencia de presión: impulsada por la diferencia de presión en ambos lados de la membrana, el agua fluye desde el lado de alta presión hacia el lado de baja presión, y la cantidad de agua es proporcional al gradiente de presión y al coeficiente de permeabilidad del agua en la membrana. e inversamente proporcional a la viscosidad del agua en la membrana. El efecto es mínimo.

2. ¿Cómo afecta el contenido de agua al rendimiento de la membrana de intercambio de protones?

A. Humedad del aire del cátodo: la humedad relativa del aire aumenta, lo que da como resultado la supresión de la migración de agua generada en la interfaz de reacción a la interfaz del canal de flujo de la capa de difusión del cátodo, lo que promueve la migración de agua hacia el lado del ánodo.

B. Temperatura del punto de rocío del aire del cátodo: cuando aumenta la temperatura del punto de rocío del aire, el agua generada por la reacción migra al ánodo, lo que aumenta el contenido de agua en la membrana, mejora la conductividad de protones de la membrana y aumenta el potencial de salida de la batería. Si la temperatura del punto de rocío del aire es demasiado alta, la cantidad absoluta de agua en el cátodo es demasiado para eliminarla en forma gaseosa, lo que provoca una inundación. Al mismo tiempo, la concentración de oxígeno disminuye, la velocidad de reacción disminuye; la resistencia de transferencia de masa aumenta, la resistencia óhmica de la membrana aumenta y el rendimiento de la batería disminuye.

C. Temperatura de la pila: cuando aumenta la temperatura de la pila, aumenta la presión de saturación del vapor de agua, lo que promueve la evaporación del agua en la capa de difusión del ánodo, promueve la migración de la concentración de agua, mejora la conductividad de protones de la membrana y mejora el rendimiento de la pila.

D. Efecto cruzado: en condiciones de reacción relativamente secas, el electrodo acelerará la tasa de degradación del electrolito de la membrana, lo que dañará la membrana y permitirá que el gas penetre al otro lado del electrodo.

E. Efecto de los iones metálicos de la membrana y envenenamiento del catalizador: la humedad excesiva aumentará la posibilidad de que las impurezas contaminen el MEA. Los componentes nocivos como los iones metálicos, el CO y el S del entorno y los iones metálicos producidos en la batería se difundirán con el exceso de agua. A la superficie del electrodo y la membrana, causando iones metálicos y envenenamiento del catalizador de la membrana.

3. Selección del humidificador y requisitos de aplicación

La selección del humidificador considera principalmente su punto de rocío cercano a la temperatura, la resistencia al flujo, la resistencia a la temperatura y la presión, la diferencia máxima de presión transmembrana, etc. 1.

El rendimiento y la confiabilidad de la chimenea requieren contenido de agua

Al probar la influencia de la pila en la potencia de salida de la pila bajo diferentes niveles de humedad del aire (contenido de agua), determine la humedad óptima del aire en la pila; al mismo tiempo, también se debe considerar la influencia de diferentes contenidos de agua en la vida útil de la chimenea.

2. El punto de rocío del humidificador está cerca de la temperatura como razón para evaluar su capacidad de humidificación

Los humidificadores para celdas de combustible son del tipo de humidificación por gas y, por lo general, reciben un gas húmedo que está cerca de la saturación en el lado húmedo (punto de rocío inicial en el lado húmedo) para ver qué tan húmedo puede estar el aire seco (punto de rocío final en el lado húmedo). lado seco). La diferencia entre el punto de rocío inicial en el lado húmedo y el punto de rocío final en el lado seco se define como la temperatura de aproximación al punto de rocío, que básicamente puede evaluar el rendimiento de humidificación del humidificador. También se puede evaluar por la transmisibilidad del agua de la membrana g/(min.cm2).

3. Temperatura del medio permisible y diferencia de presión transmembrana: material de la membrana y estructura de la membrana

Generalmente, la resistencia a la temperatura de los materiales de la membrana está por encima de los 100°C. En los requisitos del DOE, la diferencia de presión transmembrana debe ser >75 kpa, y es difícil alcanzar este nivel para tubos de fibra hueca ultradelgada sin soporte.

4. Confiabilidad: rendimiento, fugas

Para las pruebas generales de confiabilidad, el punto de rocío se puede comparar con la temperatura antes y después de la durabilidad; la tasa de daño de la película también se puede juzgar por el método de la burbuja.

4. Modelo y parámetros del humidificador

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

(2) KOLON, tubo homogéneo de fibra hueca de polisulfona;

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

(4) Dpoint, utilizando membrana plana compuesta tipo sándwich Gore+PFSA.

5. Material de la membrana y estructura de tubo de fibra hueca

1. Serie de polisulfona, poliimida, membrana de ácido sulfónico que contiene flúor

La polisulfona tiene excelentes propiedades mecánicas, estabilidad química, buena resistencia al calor, resistencia a la biodegradación, alta porosidad interna y estructura microporosa estable, y se usa a menudo como sustrato para membranas de separación de gases. Sin embargo, es un material de membrana hidrofóbico.

La polisulfona, la polietersulfona y la polifenilsulfona tienen propiedades similares. Si se van a usar en celdas de combustible, su hidrofilicidad generalmente se puede mejorar mediante un tratamiento de flores amarillas.

La poliimida tiene alta permeabilidad al aire, selectividad, buena resistencia al calor, alta resistencia mecánica, estabilidad química y buena resistencia a los solventes, y se puede convertir en una membrana de fibra hueca asimétrica autoportante con alto coeficiente de permeabilidad. Mala hidrofilia, necesita tratamiento de sulfonación.

La poliimida también se está estudiando ampliamente como membrana de intercambio de protones con buenas perspectivas en el futuro.

El ácido perfluorosulfónico PFSA, como membrana de intercambio de protones, tiene la función de transferencia de agua bajo diferencia de concentración y también puede usarse como membrana humidificadora. Las membranas que contienen flúor también incluyen el politetrafluoroetileno expandido ePTFE de Gore y la membrana de intercambio de protones parcialmente fluorada BAM3G de Ballard. El precio es demasiado caro.

2. Serie de polisulfona, poliimida, membrana de ácido sulfónico que contiene flúor

Las membranas de tubo de fibra hueca se dividen principalmente en membranas porosas, membranas epidérmicas y membranas homogéneas. Según sus características, se pueden convertir en membranas de ultrafiltración, membranas de ósmosis directa/inversa, membranas de separación de gases, membranas de hemodiálisis, etc. La membrana de fibra hueca se caracteriza por una gran superficie bajo el mismo volumen.

El proceso de preparación del tubo de fibra hueca se divide principalmente en el método de hilado en solución y el método de hilado en fusión. El método de centrifugado en solución requiere un porógeno para producir microporos en la membrana y, en general, el tamaño de los poros es un poco más grande, lo que se usa más comúnmente; el método de hilado por fusión produce microporos por estiramiento y los requisitos técnicos son altos.

La membrana plana se compone de una fina capa intermedia de PFSA en el centro y capas porosas en ambos lados. La superficie es relativamente pequeña.

6. Tecnología de humidificación interna

En el corazón de la humidificación está la gestión del agua. Toyota no necesita un humidificador externo a través del control de temperatura y la circulación del agua del ánodo. La humidificación interna también tiene requisitos altos para la chimenea y requisitos más altos para las estrategias de control. Además, el intercambio de agua también se realiza a través de placas de carbón poroso en la placa final del colector, y el intercambio de agua se realiza agregando un módulo similar a una sola pila en el medio de la pila.