“維薩拉濕度傳感器在我們的研究中很有幫助。了解反應(yīng)氣體的濕度對于低溫和高溫燃料電池都很重要。”
-Mikko Kotisaari，VTT 燃料電池研究科學(xué)家
制氫是一個不斷增長的巨大產(chǎn)業(yè)。氫經(jīng)濟(jì)被認(rèn)為是未來低碳經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，它最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(yōu)勢是適用于多種不同的燃料電池應(yīng)用場合。
使用燃料電池技術(shù)的應(yīng)用可以分為三大類：便攜式發(fā)電（用于移動設(shè)備和便攜式輔助電源）、固定發(fā)電（分布式發(fā)電、備用電源和并網(wǎng)電站）以及運(yùn)輸領(lǐng)域（汽車、公共交通和重型機(jī)械）。市場增長的一個重要驅(qū)動因素是汽車行業(yè)，目前在進(jìn)行密集加緊研究，旨在推動燃料電池技術(shù)在汽車市場的應(yīng)用。
工作原理
燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，不經(jīng)過任何燃燒過程。燃料電池的工作原理基于氧化還原反應(yīng)。在氫和氧發(fā)生反應(yīng)時釋放能量。這個直接過程具有高能效的優(yōu)勢（效率超過 50%），如果產(chǎn)生的熱能也被回收，效率可達(dá)到 85%。從發(fā)電角度來看，它超過了任何燃燒過程的效率。其他優(yōu)勢還包括工作場所零排放、靜音工作等。
每種燃料電池技術(shù)都有自身的優(yōu)勢和不足。當(dāng)今市場上的三大技術(shù)是按質(zhì)子載體介質(zhì)來區(qū)分的：聚合物電解質(zhì)膜 (PEM)、固體氧化物 (SO) 和熔融碳酸鹽 (MC)。從應(yīng)用角度看，其中 PEM 技術(shù)是最通用的，因?yàn)樗墓ぷ鳒囟鹊?<100°C)，這使得它同時適用于小型和大型燃料電池。固體氧化物燃料電池涉及高溫，最適合較大型應(yīng)用，如分布式發(fā)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?xì)浠衔?，在重整過程中從這些物質(zhì)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。
上圖描述了PEM燃料電池的工作原理。氫燃料在陽極被分解為質(zhì)子（氫離子）和電子時，通過外部電路將電子運(yùn)輸?shù)疥帢O，從而產(chǎn)生電流。通過陰極的濕膜運(yùn)輸正電荷載體（氫原子核），在陰極氫原子核與氧反應(yīng)生成水。此反應(yīng)會產(chǎn)生電流和熱量。
最大程度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(yīng)和催化劑狀況引起的活性損耗，在質(zhì)子運(yùn)輸期間運(yùn)輸介質(zhì)中發(fā)生的歐姆損耗，到反應(yīng)表面的質(zhì)量傳遞速度受限制導(dǎo)致的濃度損耗，以及當(dāng)燃料在膜中擴(kuò)散而不發(fā)生反應(yīng)時導(dǎo)致的內(nèi)部電流。引起損耗的原因與電池中水和溫度的管理有關(guān)。如果沒有很好地控制溫度和水分，催化劑和質(zhì)子運(yùn)輸介質(zhì)的老化會增加損耗，降低效率，最終導(dǎo)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(jìn)行反應(yīng)物濕化以防止它在負(fù)載下脫水。質(zhì)子交換容量與聚合物水分成正比，干聚合物將限制反應(yīng)速度并導(dǎo)致電池?fù)p耗。
與干聚合物有關(guān)的另一個考慮因素是其使用壽命，這是設(shè)計(jì)燃料電池時要關(guān)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(cè)除去，水淹將導(dǎo)致電池性能不佳。燃料流中的濕度測量可幫助控制濕化過程、估計(jì)水的質(zhì)量平衡并維持正常的膜水分。
為了提高反應(yīng)效率，大量的反應(yīng)氣體可能引導(dǎo)到催化表面。來自陽極出口的潮濕未反應(yīng)燃料可再循環(huán)回到陽極入口，以濕化燃料流。這種再循環(huán)可能導(dǎo)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(zhì)測量 –當(dāng)總壓以及氫和水的分壓已知時，可以估計(jì)循環(huán)回路中雜質(zhì)的分壓。
加熱探頭技術(shù)幫助解決高濕環(huán)境下的測量難題
維薩拉加熱探頭技術(shù)可以很好解決這個難題，因?yàn)橥ㄟ^將傳感器元件加熱到高于環(huán)境溫度，可以將相對濕度降低到冷凝點(diǎn)以下。使用位于濕度傳感器附近的附加溫度傳感器，還可以測量實(shí)際過程溫度。根據(jù)這兩個值，就可以計(jì)算高濕過程的實(shí)際相對濕度，并同時防止出現(xiàn)冷凝問題。
VTT 是芬蘭主要研究機(jī)構(gòu)之一，它一直從事低溫 (PEM) 和高溫 (SOFC)燃料電池研究。VTT 在進(jìn)行燃料電池相關(guān)研究中一直使用維薩拉的HMT310F、HMT337 和 HMP7 濕度儀表以及 GMP343 CO2變送器。
HMP3307 溫濕度變送器宣傳資料敬請點(diǎn)擊下方網(wǎng)址：
http://www.hbbus.com.cn/pro/HMT330.shtml
