高低溫質(zhì)子交換膜燃料電池對比
發(fā)布時間：
2023-05-26
最新一代的美國ADVENT TECHNOLOIES公司的高溫質(zhì)子交換膜能夠耐受200攝氏度的高溫。更高的運行溫度帶來了多種優(yōu)點，如改善催化劑活性、增強燃料靈活性和增加對燃料流中雜質(zhì)的耐受性。
通常大家所說的質(zhì)子交換膜燃料電池（低溫PEMFC），其工作溫度一般在60-90攝氏度，其實還有一種高溫質(zhì)子交換膜燃料電池（高溫PEMFC），代表了燃料電池技術(shù)領(lǐng)域中一個令人興奮的研究和開發(fā)領(lǐng)域。高溫PEMFC的操作溫度比低溫PEMFC高，通常在100攝氏度以上，最新一代的美國ADVENT TECHNOLOIES公司的高溫質(zhì)子交換膜能夠耐受200攝氏度的高溫。更高的運行溫度帶來了多種優(yōu)點，如改善催化劑活性、增強燃料靈活性和增加對燃料流中雜質(zhì)的耐受性。
我們將推出系列文章介紹高溫PEMFC，探討其復(fù)雜性，研究其關(guān)鍵組件、優(yōu)點和潛在應(yīng)用。
一 低溫PEMFC的局限性
傳統(tǒng)的低溫PEMFC已經(jīng)得到廣泛研究和應(yīng)用，但它們也存在一些局限性。在介紹高溫質(zhì)子交換膜燃料電池之前，我們就首先分析低溫質(zhì)子交換膜燃料電池存在的缺點和局限性。
1. 催化劑敏感性：氫燃料電池依賴于貴金屬催化劑（如鉑）來促進電化學(xué)反應(yīng)這些催化劑昂貴而相對稀缺，在低溫的情況下，催化劑對于一氧化碳、二氧化碳等雜質(zhì)氣體非常敏感，容易老化和重度。
2. 一氧化碳中毒：低溫PEMFCs對一氧化碳（CO）中毒非常敏感。即使在燃料流中含有微量的CO，也會顯著降低燃料電池的效率和性能。當使用碳氫燃料時，這是一個挑戰(zhàn)，因為CO可能作為這些燃料來源中的雜質(zhì)存在。
3. 水管理：有效的水管理對于PEMFC的最佳性能至關(guān)重要。在低溫PEMFC中，聚合物電解質(zhì)膜需要保持水合狀態(tài)以進行質(zhì)子傳導(dǎo)。然而，過多的水分會導(dǎo)致淹水，限制反應(yīng)物流動并降低電池效率。另一方面，不充分的水合會導(dǎo)致膜脫水并導(dǎo)致性能降低。
4. 運行溫度限制：低溫PEMFC通常在60-90攝氏度范圍內(nèi)運行。這種相對較低的操作溫度需要使用加濕系統(tǒng)來維持膜中所需的水分含量。這些系統(tǒng)增加了燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，限制了它們在某些環(huán)境或便攜設(shè)備中的實際應(yīng)用。
5. 燃料靈活性：低溫PEMFC的燃料靈活性有限，主要依賴純氫作為燃料源。雖然氫是一種清潔且豐富的燃料，但其生產(chǎn)、儲存和分配基礎(chǔ)設(shè)施存在挑戰(zhàn)。對純氫的依賴限制了替代燃料源（如天然氣或液體燃料）的利用，需要額外的燃料重整過程。
6. 耐久性和壽命：低溫PEMFC易于因催化劑退化、膜退化和碳腐蝕等因素而逐漸性能下降。需要提高低溫PEMFC的耐久性和壽命，以確保長期可靠性和成本效益。
解決這些局限性對于PEMFC的廣泛采用至關(guān)重要。高溫PEMFC的發(fā)展旨在通過在升高溫度、利用不同的催化劑材料以及增強燃料靈活性和耐久性等方面來克服這些挑戰(zhàn)。通過解決這些局限性，高溫PEMFC為推進燃料電池技術(shù)領(lǐng)域提供了有前途的替代方案。
二 低溫PEMFC與高溫PEMFC的主要區(qū)別
低溫PEMFC與高溫PEMFC代表了燃料電池技術(shù)領(lǐng)域中兩個不同的類別。讓我們比較這兩種類型并強調(diào)它們的差異：
1. 工作溫度：
- 低溫PEMFC：通常在60-90攝氏度范圍內(nèi)運行。
- 高溫PEMFC：在高于100攝氏度的升溫下運行，通常在120-200攝氏度或更高范圍內(nèi)。
2. 一氧化碳耐受性：
- 低溫PEMFC：對一氧化碳（CO）中毒非常敏感，即使是微量的CO也需要額外的燃料處理來去除CO。
- 高溫PEMFC：具有改善的CO耐受性，甚至能夠耐受高達3%的CO濃度，允許直接利用碳氫燃料而無需進行廣泛的燃料改性過程。
3. 水管理：
- 低溫PEMFC：需要仔細的水管理以維持最佳的水合水平，過多的水會導(dǎo)致水淹和不足的水合會導(dǎo)致膜脫水。
- 高溫PEMFC：由于較高的操作溫度，具有更好的水管理能力，降低了水淹和膜脫水的風(fēng)險。
4. 燃料靈活性：
- 低溫PEMFCs：主要設(shè)計用于高純氫作為燃料來源，限制了它們的燃料靈活性，并需要額外的基礎(chǔ)設(shè)施來生產(chǎn)和分配氫氣。
- 高溫PEMFC：使得可以直接利用更廣泛的燃料，包括工業(yè)副產(chǎn)氫氣、甲醇或者氨重整制的粗氫等，減少對高濃度純氫的依賴并促進燃料整合。
6. 耐久性和壽命：
- 低溫PEMFC：由于催化劑降解、膜降解和碳腐蝕等原因，隨著時間的推移容易出現(xiàn)性能下降。
- 高溫PEMFC：由于較高的操作溫度，可以提高催化劑活性并降低降解速率，從而提供改善的耐久性和壽命。
7. 應(yīng)用：
- 低溫PEMFC：廣泛用于便攜式設(shè)備、小型發(fā)電和交通運輸（例如燃料電池汽車）等應(yīng)用。
- 高溫PEMFC：適用于各種應(yīng)用，包括固定發(fā)電、大型電力系統(tǒng)和工業(yè)應(yīng)用等。
總之，低溫PEMFC和高溫PEMFC在操作溫度、一氧化碳耐受性、水管理、燃料靈活性、耐久性和應(yīng)用方面存在差異。雖然低溫PEMFC已經(jīng)得到廣泛的研究和應(yīng)用，但高溫PEMFC具有獨特的優(yōu)勢，包括改善的催化劑利用率、一氧化碳耐受性、水管理和燃料靈活性，使其成為燃料電池技術(shù)領(lǐng)域積極研究和開發(fā)的領(lǐng)域。
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