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燃料电池发电系统的重要环节—温湿度控制

21世纪以来,以氢为燃料电池的新能源电池逐渐走进了人们的视野中。燃料电池可以在许多领域中应用,燃料电池的普及会将大的拉动经济发展,尤其是在汽车行业。在环境保护方面,燃料电池不仅可以有效的控制地球的温室效应和保护环境,还可以解决现有资源枯竭的能源问题。过去的化石燃料电池将会被大量的氢燃料电池替代,氢燃料电池的研究与开发已取得重大进展,逐步实现商业化,目标是广泛应用于汽车工业、能源发电、船舶工业、航空航天、家用电源等行业。以氢为主流的能源已经拉开了序幕。

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)是一种有着较高的能量效率和能量密度的新型燃料电池,有着工作温度低、体积重量小、冷启动时间短、运行安全可靠、结构简单、操作方便等优点使用的质子交换膜为固定电解质膜,有效避免腐蚀。质子交换膜燃料电池在原理上相当于是水电解的逆装置,电池由阳极、阴极、质子交换膜组成,阳极为氢燃料发生氧化的场所,阴极为氧化剂还原的场所,中间还有催化剂。质子交换膜在电池中充当H+的介质,只允许H+通过,而电子则从导线通过,那么电子的流动就相当于一直流电源,阳极即电池正极,阴极即电池负极。简单的原理示意图:

 

质子交换膜(PEM)之前一直被Nafion的全氟磺酸膜所垄断,但是这种PEM有着价格高,合成困难,成膜过程中的水解、磺化都容易使电池变质等缺点,于是加拿大人研究出了部分氟化的磺酸膜,高寿命,低成本。在我国,也有很多研究单位在开展PEMFC的研究,接近国外水平,技术已经成熟,唯壹阻挡其商业化的主要原因还是在于电池的价格远远没有达到实际应用的要求。

每个单电池层的负载能力是有限的,因此电池会将多个单电池层组合构成输出电压能满足实际负载燃料电池堆。电堆运行时,质子交换膜需要保持一定的湿度,反应生成的水需要排除。不同形态的水的迁移、运输、生成、凝结对电堆的稳定运行都有很大的影响,因此电池的温湿度控制(水热管理)是质子交换膜燃料电池的发电系统中重要的一部分。通常情况下,电堆均需使用复杂的增湿辅助系统用于增湿质子交换膜,以免电极缺水干死导致质子交换膜传递能力下降;同时又必须及时把生成的水排除。质子交换膜一般工作温度保持在80℃,因此反应气体进入电堆之前需要预加热,这一过程通常与气体的加湿过程同时进行。由此看来,温湿度控制是PEMFC发电系统非常关键的环节,下面介绍一款高精度、耐高温的芯片级温湿度一体传感器-HTU21D

 

优点:

完全可互换,无需重新校正

长期饱和后迅速恢复

适合无铅回流焊等自动化装配方式

单独标识,符合严格的追溯要求  

型号

HTU21D

供电电压:

1.5V—3.6v

湿度测量范围:

0—100%RH

温度测量范围:

-40℃—125℃

消耗功率:

2.7uW

通信方式:

I2C

湿度精度范围(10%RH to 95%RH)

HTU21D  ±2%RH

湿度迟滞:

±1%RH

测量时间:

50ms

年漂移量:

-0.5%RH/year

响应时间:

5s

 

 


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