Peranan Pemisah Air dalam Sistem Sel Bahan Api yang Disejukkan dengan Air

Dalam seni bina rumit yang disejukkan dengan air sistem sel bahan api hidrogen, gelung edaran hidrogen ialah subsistem kritikal untuk memastikan operasi yang cekap dan selamat. Komponen penting dalam gelung ini ialah pemisah air, juga dikenali sebagai pemisah kondensat atau periuk kalah mati. Kehadirannya pada mulanya mungkin kelihatan paradoks: mengapa sistem yang bertujuan untuk menguruskan air cecair dengan ketat memerlukan peranti khusus untuk mengendalikan kelembapan dalam aliran gas? Untuk memahami perkara ini, kita mesti menyelidiki sumber air di bahagian hidrogen, potensi bahayanya, dan mekanisme pengimbangan dinamik yang wujud dalam operasi sistem. Tindak balas teras sel bahan api melibatkan hidrogen dan oksigen bergabung untuk menghasilkan air, elektrik, dan haba. Air ini dijana terutamanya di katod, atau bahagian udara.

Walau bagaimanapun, molekul air tidak kekal semata-mata pada titik asalnya. Membran pertukaran proton (PEM), "jantung" sel, mesti terhidrat secukupnya untuk menghantar proton dengan berkesan. Ciri ini adalah pedang bermata dua. Walaupun penghidratan membran yang mencukupi diperlukan untuk kekonduksian proton yang baik, perbezaan dalam kepekatan air (atau aktiviti air) merentasi membran mewujudkan daya penggerak yang kuat. Ini menyebabkan molekul air meresap dari katod, kembali melalui membran, ke anod (sebelah hidrogen) dalam fenomena yang dikenali sebagai "penyebaran balik air." Penyerapan terbalik ini amat ketara apabila tindak balas katod adalah sengit, menghasilkan sejumlah besar air, manakala aliran hidrogen anod menjadi agak kering disebabkan oleh peredaran semula. Oleh itu, kelembapan yang tidak dirancang muncul dalam apa yang sepatutnya menjadi gelung hidrogen "kering".

Tambahan pula, untuk mengekalkan tahap penghidratan optimum PEM, hidrogen yang memasuki timbunan selalunya memerlukan pelembapan yang sesuai. Terutama semasa permulaan sistem, pelembapan luaran adalah kaedah biasa untuk mengelakkan hidrogen kering daripada dehidrasi membran. Wap air yang diperkenalkan melalui proses pelembapan ini juga boleh terpeluwap menjadi air cecair jika aliran hidrogen mengalami perubahan suhu semasa aliran. Oleh itu, lembapan pada bahagian hidrogen terutamanya berasal dari dua sumber: air yang disebarkan kembali dari katod, dan wap air yang diperkenalkan melalui pelembapan gas masuk. Apabila hidrogen yang diedarkan semula yang hangat dan lembap mengalir melalui bahagian paip, injap dan pam edaran semula yang lebih sejuk, wap air boleh terpeluwap menjadi titisan halus, membentuk apa yang dikenali sebagai "air terperangkap." Membenarkan air cecair ini terkumpul dalam gelung hidrogen boleh membawa kepada satu siri isu serius. Risiko paling segera ialah "banjir." Saluran aliran hidrogen sangat sempit; air cecair boleh menyekat medan aliran sel individu atau berbilang, menghalang resapan hidrogen yang berkesan ke lapisan pemangkin untuk tindak balas. Kebuluran hidrogen tempatan menyebabkan penurunan voltan mendadak di kawasan itu dan bahkan boleh menyebabkan pembalikan sel (polarisasi terbalik).

Ini bukan sahaja mengakibatkan keluaran kuasa yang tidak stabil tetapi juga menyebabkan kerosakan kakisan yang tidak dapat dipulihkan pada pemangkin dan sokongan karbon, dengan ketara memendekkan jangka hayat tindanan. Kedua, titisan air ini boleh mempercepatkan kakisan komponen logam dalam paip dan injap. Untuk pam edaran semula hidrogen, yang bergantung pada operasi berkelajuan tinggi, hentaman titisan boleh menyebabkan kesan "tukul air", yang berpotensi merosakkan pendesak dengan teruk dan menyebabkan penyitaan atau kegagalan pam, menimbulkan ancaman besar kepada kebolehpercayaan sistem secara keseluruhan. Pemisah air memainkan peranan penting sebagai "pemulung" dalam konteks ini.

Ia biasanya diletakkan secara strategik dalam gelung peredaran hidrogen, selalunya pada titik kritikal antara alur keluar tindanan dan salur masuk pam edaran semula. Operasinya biasanya berdasarkan prinsip pemisahan emparan atau inersia. Apabila gas hidrogen lembap yang sarat dengan titisan air memasuki ruang pemisah secara tangen pada halaju tertentu, ia menghasilkan aliran berputar. Titisan air yang lebih berat dibuang ke luar oleh daya emparan ke dinding, di mana ia bergabung, kehilangan tenaga kinetik, dan membentuk titisan yang lebih besar yang akhirnya mengalir melalui graviti ke bahagian bawah pemisah. Gas hidrogen "kering" kemudian keluar melalui saluran keluar pusat dan diedarkan semula ke salur masuk tindanan oleh pam. Air cecair terkumpul di bahagian bawah disalirkan secara berkala dari sistem melalui injap longkang automatik atau terkawal sekejap. Oleh itu, pemisah air bukanlah elemen reka bentuk yang berlebihan tetapi penyelesaian yang bijak dan penting kepada cabaran pengurusan air yang kompleks di dalam sel bahan api.

Ia mengakui sifat meresap molekul air dan secara proaktif mengurus kelembapan tambahan yang diperkenalkan oleh resapan dan pelembapan belakang, memastikan gelung peredaran hidrogen mengekalkan keadaan optimum "lembap tetapi tidak dibanjiri." Komponen ini melindungi pam edaran semula dan membantu memastikan pengedaran hidrogen seragam merentas sel individu, akhirnya membentuk asas kritikal untuk mencapai kecekapan tinggi, kebolehpercayaan dan ketahanan jangka panjang dalam sistem sel bahan api. Walaupun hanya satu komponen di antara banyak, pemisah air adalah kunci untuk mengekalkan "imbangan air" yang halus pada bahagian hidrogen.