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如何通過濕度控制確保燃料電池質量？
概覽：
氫氣生產是一個正在迅速發展壯大的產業。氫經濟被認為是未來低碳經濟的重要組成部分，它醉終將替代礦物燃料成為我們的主要能源來源并緩解全球變暖趨勢。氫的一個主要優勢是適用于多種不同的燃料電池應用場合。
市場增長的一個重要驅動因素是汽車行業，目前我們正進行加緊研究，旨在推動燃料電池技術在汽車市場的應用。
無論將燃料電池應用于何處，都無一不需要它們具備優異的質量。影響燃料電池質量的因素有很多，但在其制造和測試過程中準確測量和控制濕度至關重要。重點介紹如何進行濕度測量，以便即使在非常潮濕的環境中也能提供可靠的測量結果。
使用燃料電池技術的應用可以分為三大類：
1.便攜式發電(用于移動設備和便攜式輔助電源)
2.固定式發電(分布式發電、備用電源和并網電站)
3.運輸(汽車、公共交通和重型機械)
通過適當加濕來提高燃料電池的效率和使用壽命：
一：燃料電池的工作原理
燃料電池直接將化學能轉換為電能，不經過任何燃燒過程。燃料電池的工作原理基于氧化還原反應。在氫和氧發生反應時釋放能量。這個直接過程具有高能效的優勢(效率超過50%)，如果產生的熱能也被回收，效率可達到85%。從發電角度來看，它超過了任何燃燒過程的效率。氫氣生產是一個正在迅速發展壯大的產業。氫經濟被認為是未來低碳經濟的重要組成部分，它醉終將替代礦物燃料成為我們的主要能源來源并緩解全球變暖趨勢。氫的一個主要優勢是適用于多種不同的燃料電池應用場合。
每種燃料電池技術都有自身的優勢和不足。當今市場上的三大技術是按質子載體介質來區分的：聚合物電解質膜(PEM)、固體氧化物(SO)和熔融碳酸鹽(MC)。從應用角度看，其中PEM技術較通用，因為它的工作溫度低(<100°C)，這使得它同時適用于小型和大型燃料電池。
圖1：PEM燃料電池的工作原理。在催化劑作用下氫燃料在陽極發生反應，形成電子和氫原子核。這些核通過電荷載體介質被運輸到陰極，在陰極與氧反應生成水。電子流過外部電路，產生電流。
固體氧化物燃料電池涉及高溫，適合較大型應用，如分布式發電。但是PEM燃料電池是純氫電池，SOFC燃料電池則可以使用天然氣或其他碳氫化合物，在重整過程中從這些物質中提取氫。SOFC燃料電池的工作溫度高，這樣更易于將重整階段整合到燃料電池裝置。
PEM燃料電池的工作原理如圖1所述。氫燃料在陽極處被分解為質子(氫離子)和電子時，通過外部電路使電子流向陰極，從而產生電流。通過陰極的濕膜運輸正電荷載體(氫原子核)，在陰極氫原子核與氧反應生成水。此反應會產生電流和熱量。
二：提高燃料電池的效率
燃料電池的效率受限于各種損耗：催化反應和催化劑狀況引起的活性損耗，在質子運輸期間運輸介質中發生的歐姆損耗，到反應表面的質量傳遞速度受限制導致的濃度損耗，以及當燃料在膜中擴散而不發生反應時導致的內部電流。引起損耗的原因與電池中水和溫度的管理有關。如果沒有很好地控制溫度和水分，催化劑和質子運輸介質的老化會增加損耗，降低效率，醉終導致電池解體。
較小的PEM電池通常不需要濕化，但在攜帶較高電流的較大電池中，聚合物膜可能需要進行反應物濕化以防止它在負載下脫水。質子交換容量與聚合物水分成正比，干聚合物將限制反應速度并導致電池損耗。
與干聚合物有關的另一個考慮因素是其使用壽命，這是設計燃料電池時要關注的主要問題之一。另一方面，如果未及時將生成的水從電池的陰極一側除去，水淹將導致電池性能不佳。
燃料流中的濕度測量可幫助控制加濕過程、估計水的質量平衡并維持正常的膜水分。為了提高反應效率，大量的反應氣體可能會被引導到催化表面。來自陽極出口的潮濕未反應燃料可再循環回到陽極入口，以濕化燃料流。這種再循環可能導致污染物積聚，這對于PEM燃料電池尤為有害。
除了控制燃料流濕度之外，陽極和陰極流的濕度測量可用于雜質測量–當總壓以及氫和水的分壓已知時，可以估計循環回路中雜質的分壓。