质子交换膜燃料电池加湿技术研究

刘露萍

（重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160）

质子交换膜燃料电池加湿技术研究

刘露萍

（重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160）

质子交换膜燃料电池（PEMFC）电堆的加湿效果不仅影响电堆的输出性能，还决定着电堆的稳定性，从而影响PEMFC 的性能和寿命。本文介绍了多种不同的加湿方式，并比较了各种加湿技术的特点，为 PEMFC 加湿方式的最优选择提供了依据。

PEMFC；加湿；电堆性能

由于煤、石油等不可再生能源的储量减少，传统能源在利用时对环境的巨大污染和转化效率低，人们越来越关注质子交换膜燃料电池的发展，质子交换膜燃料电池是一种高效的发电装置，它利用氢气和氧化物之间的电化学反应获得电能。目前我国大力发展新能源电动汽车，质子交换膜燃料电池具有启动速度快、温度适用范围广、无污染、可靠性高的特点，是适合新能源电动汽车发展的一种理想动力来源。质子交换膜燃料电池中电堆的湿度对其性能有巨大的影响，本文对质子交换膜燃料电池性能的电堆增湿技术进行了分析介绍。

1 湿度对 PEMFC 性能的影响

质子交换膜燃料电池的含水量会影响质子膜的导电性，含水量增加，质子膜的导电性也增加，保持水平衡所需的电流密度随质子交换膜燃料电池中的氢气湿度增加而降低。质子交换膜燃料电池的最大输出电流，会随氢气湿度的不同发生变化。图1是某种质子交换膜燃料电池中气体含水量对电池最大放电电流的影响图，图中显示电池的最大放电电流随气体中含水量的增加先增加后减小，在反应气体中含水量为400mg/L 时电池的输出电流达到最大值。

如果发生质子交换燃料电池的电流密度增加，质子交换燃料电池工作电压下降，是由于质子交换燃料电池中质子膜不够湿润，导致电池的内阻增加，从而大大降低电池的工作电压。

图1 气体中含水量对最大放电电流的影响

由此可见，如果质子交换燃料电池中的反应气体湿度不够,而在反应过程中阴极生成的水又不能扩散到阳极,阳极一侧的质子膜会因此失水变干；而在反应气体大量通过时，会形成气流，气流使得阴极入口处的质子膜也失去水分而变干,变干后的质子膜电阻增加，从而质子交换燃料电池的内阻将大大增加,最终导致电堆失效而不能正常工作。因此质子交换燃料电池在工作时，必须保证反应气体的湿度，采取相应的加湿措施。如果使用空气作为氧化剂，空气加湿也十分重要。

对反应气体加湿，保持质子膜的湿润度对质子交换燃料电池保持其性能十分重要，但如果反应气体的含水量过多，也会影响质子交换燃料电池电堆的性能，这是由于所有单电池都是通过公共通道供气，气流的流速并不完全均匀，如果某单电池中反应气体流速过小，不能将过量的水带走，这些水就会造成堵塞，浓差极化甚至造成反极。在有催化剂的作用下，由于堵塞混在一起的燃料和氧化剂很可能会发生爆炸燃烧，导致质子交换燃料电池的电堆损坏失效。因此,采用合理的加湿方法使加湿效果达到最佳是提高电堆性能的关键。

2 质子交换膜燃料电池的增湿技术

2.1 外部加湿的方法

外部加湿法是质子交换膜燃料电池的增湿技术中比较常见的方法。外部加湿法是在反应气体进入电堆前，通过外部附加的加湿设备对其增湿，外部加湿设备结构如图2所示。外部加湿法加湿时在一个高于电堆工作温度 10～15℃的温度下进行,在高于电堆的温度下进行加湿的目的是提高气体的含水量，将更多的水带入电堆。外部增湿的方法中比较常见的有升温增湿、渗透膜增湿和直接液态水注射增湿三种。

图2 外部加湿设备结构图

2.2 内部加湿的方法

内部加湿法与外部加湿法不同，它是将水直接通过水泵带入到电堆中,再将带入的水根据内部结构进行分配实现加湿。带入水的合理分配是内部加湿法的关键，一般是通过设计双极板结构或扩散层的方法来实现带入电堆水的合理的分配。双极板结构内加湿法是采用特殊的碳板来实现 , 这种多孔碳板孔隙率非常高，空气能够通过这些孔隙到达催化层 , 同时孔隙中储存的大量水分又可用来对质子交换膜进行加湿，另外通过将反应中生成的水滞留在极板中来实现极板中的水量的保持。

UTC 公司利用扩散层的方法，将亲水和疏水两种截然不同的基体层组合成一个扩散层，在质子膜的阳极和阴极扩散层部位，是由亲基体层构成,利用亲水基体层的亲水、吸水性能保持质子膜的润湿程度。

2.3 自增湿方法

自增湿方法跟内部加湿法有相同的地方，它也需要改变质子交换膜燃料电池内部构造。自增湿方法区别于内部加湿法的地方在于用于增湿的水来源不同，自增湿法的水来源于阴极中反应生成的水。在质子交换膜燃料电池中的质子膜，由于阴极在反应中会生成水保持一定的湿度，而阳极则干燥得多,这就形成了一个较大的浓度差,水就会向阳极扩散，在这个过程中反应气体可以得到加湿。日本学者M.watnabel提出在质子膜中利用电镀的方法形成高度分散的催化剂 R 粒子，使膜中的反应气体 H2和O2在催化作用下反应，反应所生成的水就能保持膜的润湿。

自增湿方法一般用于小功率低温型的电堆中，这是由于利用自增湿方法用于增湿的反应生成水量不大，增湿的效果有限，但使用这种增湿方法对于简化电堆系统,提高电堆的体积功率比和重量功率比却具有十分重要的意义。

在实际应用中，可以根据实际情况综合利用几种增湿法对电堆进行增湿。比如阳极侧和阴极侧就可以根据自身的特点，分别利用渗透膜加湿和直接液态水注射加湿的方法。

3 结语

质子交换膜的湿润程度对 PEMFC 的性能、寿命及稳定性都起着关键作用，而加湿效果取决于所采用的加湿技术。本文首先分析了湿度对 PEMFC性能的影响，也对外部加湿、内部加湿及自增湿三种加湿技术进行了详细地介绍，三种加湿技术各有优势，在实际应用中可以将它们进行组合加湿。自增湿技术没有庞大复杂的外部辅助增湿设备，简化了电堆系统同时也降低了制造成本，因此 PEMFC自增湿技术将有更加广阔的前景。

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TM911.4

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1671-0711（2017）03（下）-0099-02

重庆水利电力职业技术学院重点科研项目（K201312）