PEM燃料电池稳定运行的工作条件分析

张选高，王晓晨

PEM燃料电池稳定运行的工作条件分析

张选高1，王晓晨2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 武汉市氢燃料电池工程技术研究中心，武汉 430064）

质子交换膜燃料电池持续稳定运行的理想工作条件是保持质子交换膜聚合物电解质的充分水合，阴极与阳极多余的水分及时的排出，保持电化学反应的水热平衡，本文对质子交换膜燃料电池的水热平衡进行了分析计算，提出通过选取燃料电池的最佳工作条件参数保障燃料电池的持续稳定运行。表明通过温度、压力、湿度、过量系数的选取，可确定燃料电池的最佳工作状态。

质子交换膜燃料电池 稳定运行 水热平衡 工作条件 分析与计算

0 引言

质子交换膜燃料电池（PEM燃料电池）具有发电效率高、零排放、安静、低温运行等优点，是公认的一种具有广泛发展前景的清洁能源装置。世界很多组织机构都进行了深入研究，经过多年的发展，取得了突破性进展。

PEM燃料电池的燃料是氢气，氧化剂是氧气，电解质是质子交换膜聚合物。PEM燃料电池电化学反应的产物是水，水进入聚合物电解质会提高其质子传导性，但过高的水分含量又会导致电解质被淹没，并导致气体通向催化层的通道被水堵塞。此外PEM燃料电池工作过程中会有50%左右的废热产生，如果未及时排出废热会导致聚合物电解质温度高温脱水。

PEM燃料电池的理想的工作条件是生成的水满足电解质的正常水化要求，多余的水被过量的反应气体带出，同时产生的废热通过热交换达到平衡，使电化学反应的温度维持在适宜的范围内。水与热的平衡是PEM燃料电池稳定运行的重要条件。

国内外对PEM燃料电池的稳定运行条件进行深入的研究。分析了燃料电池的工作条件对电性能的影响，并给出了近似的关系方程[1]。国内对PEM燃料电池的水热平衡管理进行的研究，分析了气体通道和扩散层中的流场对水的传递的影响，和重力对液态排水的影响[2][3]。中国科学院大连化学物理研究所提出了液体蒸发冷却排出废热的方法，并申请了专利[4]。本文从PEM燃料电池的工作条件入手，提出了通过选取燃料电池的最佳工作条件参数，维持PEM燃料电池的水热平衡，从而保障燃料电池的持续稳定运行。

1 PEM燃料电池的工作条件

燃料电池工作条件包括温度、压力、湿度、过量系数、反应气浓度等。由于空气是最容易获得、最廉价的氧化剂，燃料电池的阴极反应气一般是空气，阳极反应气一般是纯氢气。温度、压力、湿度、过量系数是方便可控的操作条件，本文主要讨论温度、压力、湿度、过量系数对电堆稳定运行的影响。

2 PEM燃料电池的工作条件与水平衡

2.1 PEM燃料电池的工作条件与水的迁移

PEM燃料电池电化学反应发生在质子交换膜的两侧。氢气在阳极的铂催化剂的作用下，电离成质子和电子，电子通过外电路流向阴极，质子穿过质子交换膜聚合物电解质进入阴极，与阴极的氧及外电路流过来的电子结合生产水。PEM燃料电池电化学反应过程原理见图1。

图1 PEM燃料电池工作原理

PEM燃料电池的产物水在阴极生成。产物水的迁移有以下3种：

1）随阴极过量的反应气排出燃料电池。2）进入质子交换膜聚合物电解质。聚合膜电解质的质子导电性与水含量正相关。3）穿透聚合膜，进入阳极。这部分从阴极到阳极的净通量，最后通过阳极过量反应气带出燃料电池。

PEM燃料电池水的合理平衡最重要的是保持质子交换膜聚合物电解质的充分水合，以及阴极与阳极多余的水分及时的排出。

工作条件参数对PEM燃料电池的排水性能具有极其重要的影响。可以通过选取最佳的温度、压力、湿度、过量系数，控制燃料电池气态与液态排水的比例，使阴极与阳极存在少量的液态水，可既保持质子交换膜处于良好的水合状态，又避免水淹。

2.2 PEM燃料电池的工作条件对气态与液态排水比例的影响

PEM燃料电池电化学反应生成水，在气态下较容易随过量的反应气带出，而液态水具有吸附作用较难排出。PEM燃料电池的工作条件对排水性能的影响，主要体现在对气态与液态排水比例的影响。温度、压力影响反应气及尾气的饱和含水量，过量系数决定气体吹扫的速度，以及吸纳水蒸气的总量。此外高温下过量反应气的吹扫对两极有干燥作用。下文将对工作条件对气态与液态排水比例的影响进行分析计算。

2.2.1阳极气态与液态排水比例的计算

生成水的质量：

S：氢气的过量系数；：氢气相对湿度；P：工作温度下饱和水蒸汽分压；:工作压力；r：水从氧侧向氢侧迁移的净通量

阳极尾气饱和水蒸汽的含水质量：

阳极气态排水份额：

2.2.2阳极气态与液态排水比例的计算

极尾气中的含水量：

极尾气饱和水蒸汽的含水量：

阴极尾排中含液态水的条件：

阴极气态排水份额：

3 PEM燃料电池的工作条件与热平衡

燃料电池产生的废热需要通过冷却液带走，为保证电池组温度分布的均匀性，进出口冷却液温差不超10℃。保持冷却液温差小需要增大冷却液流量，这会导致辅机功耗加大。一般温差控制在5~10℃，较为经济合理。此外燃料电池的废热对反应气加热，并将生成水汽化，起到增湿作用，应考虑反应气温升及生成水汽化所带走的热量。下文将对维持电化学反应热平衡的工作条件进行分析计算。

阳极侧尾气中的水蒸气的质量含量为：

水蒸气质量为：

阳极反应气温升与水汽化所需要的热量：

阴极侧尾气中的水蒸气的质量含量为：

其中：阴极进口反应气中的水蒸汽的质量含量为：

则汽化的水的质量为：

阴极反应气温升与水汽化所需要的热量：

4 PEM燃料电池稳定运行的最佳工作条件分析

燃料电池出口处因温度升高以及流场阻力引起的压力下降，会导致出口处的质子交换膜加速脱水。保持两极少量液态水的积聚，可以防止质子交换膜的脱水，提高膜的水合状态。但过多的液态水的积聚就会堵塞气体扩散层，阻碍反应气到达催化层和质子交换膜，增加浓差极化，影响燃料电池的持续稳定运行。气态水通常是容易随过量的反应气带出，而液态水具有吸附作用较难排出。通常是通过适宜流场结构，使反应气体具有一定的流速，将液态水吹扫带出。在选择电池的运行条件时，应尽可能使绝大部分排水份额为气态排水，同时保持小部分的液态排水。综合考虑，控制阴极气态排水份额在80%~90%之间为优[4]。

PEM燃料电池稳定运行的最佳工作条件应综合考虑。既要提高排水性能，以利于电化学反应的进行，还应保持系统高效。

4.1 工作条件与排水性能的分析

以某型氢空燃料电池为例，初步选定一组工作条件参数，在此基础上逐步改变某一项参数，分析其对燃料电池排水性能的影响，通过迭代选取最佳的温度、压力、湿度、过量系数。根据2.2节的公式，分析工作条件参数与气体排水份额关系曲线图，如图2-9所示。

图2 工作压力与阳极气态排水份额

图3 工作压力与阴极气态排水份额

其中图2、图3是工作压力与气态排水份额关系曲线图，图4、图5是工作温度与气态排水份额关系曲线图，图6、图7是反应气湿度与气态排水份额关系曲线图，图8、图9是反应气过量系数与气态排水份额关系曲线图。

图4 工作温度与阳极气态排水份额

图5 工作温度与阴极气态排水份额

图6 氢气湿度与阳极气态排水份额

图7 空气湿度与阴极气态排水份额

由上述工作条件参数与气态排水份额关系曲线图可知，工作压力越高，气态排水份额越低。工作温度越高，气态排水份额越高。反应气湿度越高，气态排水份额越低。过量系数越大，气态排水份额越高。

表1是根据上述工作条件参数与气态排水份额关系曲线图得出的最佳工作条件参数，阳极、阴极气态排水份额均在80%~90%之间，电堆具有最佳排水性能。

图8 氢气过量系数与阳极气态排水份额

图9 空气过量系数与阴极气态排水份额

表1 工作条件参数表

4.2 最佳工作条件的综合分析

燃料电池的工作温度越高，电化学反应速率越高。但过高的温度会造成质子交换膜脱水，影响膜的质子传导能力。燃料电池的工作温度一般小于80℃。

燃料电池的工作压力越高，越有利于反应气体的传输。但流量不变的情况下，气体压力越高，流速越低，越不利于液态水的吹扫排出。此外，空气压力的提高，会造成空压机功耗的增加。

反应气过量系数越大，气体流量越大，吹扫速度就越高，排水越充分。但过量系数不宜过高，否则将会造电堆过于干燥，并增加辅机功耗，降低系统效率。

对反应气增湿可有效的防止质子交换膜过于干燥。但湿度不宜过高，否则容易造成燃料电池被水淹，并且过高湿度对增湿器等辅助设备要求将大幅提高，实现成本高。

可根据燃料电池合理的气体排水份额区间及工作条件参数与气体排水份额关系曲线，确定排水性能最佳的工作条件参数，再综合考虑电堆结构特点、辅助设备的经济运行参数，确定燃料电池最佳的工作条件。

5 总结

PEM燃料电池水的合理平衡最重要的是保持质子交换膜聚合物电解质的充分水合，以及阴极与阳极多余的水分及时排出。电化学反应的水热平衡是PEM燃料电池稳定运行的重要条件。

通过选取最佳的温度、压力、湿度、过量系数，控制燃料电池气态与排水比例，使阴极与阳极存在少量的水，可既保持质子交换膜处于良好的水合状态，又避免水淹。

在选择PEM燃料电池工作条件的同时，需要综合考虑电堆结构特点、电化学反应效率、辅助设备的经济运行参数等，确定最佳的工作条件。

[1] 弗朗诺· 巴尔伯. PEM燃料电池:理论与实践[M].机械工业出版社, 2016.

[2] 吴玉厚, 陈士忠. 质子交换膜燃料电池的水管理研究[M]. 科学出版社, 2011.

[3] Chen S Z, Wu Y H. Gravity effect on water discharged in PEM fuel cell cathode. Internatinonal Journal of Hydrogen Energy, 2009.

[4] 衣宝廉. 燃料电池—原理·技术·应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003.

[5] 葛善海, 衣宝廉, 徐洪峰. 质子交换膜燃料电池水传递模型[J]. 化工学报, 1999, 50(1): 39-48.

Analysis of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Operating Conditions for Stable Working

Zhang Xuangao1, Wang Xiaochen2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Hydrogen Fuel Cell Engineering Research Center, Wuhan 430064, China)

TM911.4

A

1003-4862（2019）11-0043-05

2019-05-15

科技部2017“新能源汽车重点专项”（2017YFB103000）

张选高（1987-），男，工程师。研究方向：燃料电池系统。E-mail: high1108@163.com