高低溫質(zhì)子交換膜燃料電池對(duì)比
發(fā)布時(shí)間：
2023-05-26
最新一代的美國(guó)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(yùn)行溫度帶來了多種優(yōu)點(diǎn)，如改善催化劑活性、增強(qiáng)燃料靈活性和增加對(duì)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(shí)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(gè)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(guó)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(yùn)行溫度帶來了多種優(yōu)點(diǎn)，如改善催化劑活性、增強(qiáng)燃料靈活性和增加對(duì)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)電化學(xué)反應(yīng)這些催化劑昂貴而相對(duì)稀缺，在低溫的情況下，催化劑對(duì)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(duì)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(huì)顯著降低燃料電池的效率和性能。當(dāng)使用碳?xì)淙剂蠒r(shí)，這是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)镃O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(duì)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(jìn)行質(zhì)子傳導(dǎo)。然而，過多的水分會(huì)導(dǎo)致淹水，限制反應(yīng)物流動(dòng)并降低電池效率。另一方面，不充分的水合會(huì)導(dǎo)致膜脫水并導(dǎo)致性能降低。
4. 運(yùn)行溫度限制：低溫PEMFC通常在60-90攝氏度范圍內(nèi)運(yùn)行。這種相對(duì)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?cè)谀承┉h(huán)境或便攜設(shè)備中的實(shí)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(chǔ)存和分配基礎(chǔ)設(shè)施存在挑戰(zhàn)。對(duì)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(zhǎng)期可靠性和成本效益。
解決這些局限性對(duì)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(qiáng)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(jìn)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(gè)不同的類別。讓我們比較這兩種類型并強(qiáng)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(yùn)行。
- 高溫PEMFC：在高于100攝氏度的升溫下運(yùn)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(duì)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(dá)3%的CO濃度，允許直接利用碳?xì)淙剂隙鵁o需進(jìn)行廣泛的燃料改性過程。
3. 水管理：
- 低溫PEMFC：需要仔細(xì)的水管理以維持最佳的水合水平，過多的水會(huì)導(dǎo)致水淹和不足的水合會(huì)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(xiǎn)。
4. 燃料靈活性：
- 低溫PEMFCs：主要設(shè)計(jì)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(duì)高濃度純氫的依賴并促進(jìn)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(shí)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(yùn)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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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