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燃料電池發電系統的重要環節—溫濕度控制

21世紀以來,以氫為燃料電池的新能源電池逐漸走進了人們的視野中。燃料電池可以在許多領域中應用,燃料電池的普及會將大的拉動經濟發展,尤其是在汽車行業。在環境保護方面,燃料電池不僅可以有效的控制地球的溫室效應和保護環境,還可以解決現有資源枯竭的能源問題。過去的化石燃料電池將會被大量的氫燃料電池替代,氫燃料電池的研究與開發已取得重大進展,逐步實現商業化,目標是廣泛應用于汽車工業、能源發電、船舶工業、航空航天、家用電源等行業。以氫為主流的能源已經拉開了序幕。

質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell)是一種有著較高的能量效率和能量密度的新型燃料電池,有著工作溫度低、體積重量小、冷啟動時間短、運行安全可靠、結構簡單、操作方便等優點使用的質子交換膜為固定電解質膜,有效避免腐蝕。質子交換膜燃料電池在原理上相當于是水電解的逆裝置,電池由陽極、陰極、質子交換膜組成,陽極為氫燃料發生氧化的場所,陰極為氧化劑還原的場所,中間還有催化劑。質子交換膜在電池中充當H+的介質,只允許H+通過,而電子則從導線通過,那么電子的流動就相當于一直流電源,陽極即電池正極,陰極即電池負極。簡單的原理示意圖:

 

質子交換膜(PEM)之前一直被Nafion的全氟磺酸膜所壟斷,但是這種PEM有著價格高,合成困難,成膜過程中的水解、磺化都容易使電池變質等缺點,于是加拿大人研究出了部分氟化的磺酸膜,高壽命,低成本。在我國,也有很多研究單位在開展PEMFC的研究,接近國外水平,技術已經成熟,唯壹阻擋其商業化的主要原因還是在于電池的價格遠遠沒有達到實際應用的要求。

每個單電池層的負載能力是有限的,因此電池會將多個單電池層組合構成輸出電壓能滿足實際負載燃料電池堆。電堆運行時,質子交換膜需要保持一定的濕度,反應生成的水需要排除。不同形態的水的遷移、運輸、生成、凝結對電堆的穩定運行都有很大的影響,因此電池的溫濕度控制(水熱管理)是質子交換膜燃料電池的發電系統中重要的一部分。通常情況下,電堆均需使用復雜的增濕輔助系統用于增濕質子交換膜,以免電極缺水干死導致質子交換膜傳遞能力下降;同時又必須及時把生成的水排除。質子交換膜一般工作溫度保持在80℃,因此反應氣體進入電堆之前需要預加熱,這一過程通常與氣體的加濕過程同時進行。由此看來,溫濕度控制是PEMFC發電系統非常關鍵的環節,下面介紹一款高精度、耐高溫的芯片級溫濕度一體傳感器-HTU21D

 

優點:

完全可互換,無需重新校正

長期飽和后迅速恢復

適合無鉛回流焊等自動化裝配方式

單獨標識,符合嚴格的追溯要求  

型號

HTU21D

供電電壓:

1.5V—3.6v

濕度測量范圍:

0—100%RH

溫度測量范圍:

-40℃—125℃

消耗功率:

2.7uW

通信方式:

I2C

濕度精度范圍(10%RH to 95%RH)

HTU21D  ±2%RH

濕度遲滯:

±1%RH

測量時間:

50ms

年漂移量:

-0.5%RH/year

響應時間:

5s

 

 


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