高湿度环境对高性能燃料电池系统设计的影响

陈鑫 孟令宇

摘要：质子交换膜燃料电池对膜的干湿情况及电堆内部液态水含量十分敏感，膜电极的干湿情况直接影响燃料电池的性能，工作时电堆内部过多的液态水会对电堆造成不可逆地损伤，而我国地域广阔，不同地区间环境湿度情况大不相同，巨大的环境湿度差异对燃料电池水管理带来了很大难度，特别是操作条件更高的高性能燃料电池系统，水管理的难度也更大。针对该情况，从燃料电池实际运行的环境湿度出发，研究较高环境湿度情况对高性能燃料电池操作条件的影响，通过使用燃料电池电堆参数进行匹配性仿真计算，给出针对性的燃料电池系统设计建议。

关键词：燃料电池；水管理；环境湿度；压强

中图分类号：U743  收稿日期：2023-11-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.013

1 前言

氢燃料电池是一种将氢气和氧气通过电化学方式发电的新能源发电设备。燃料电池发电所需的氢气可通过可再生能源进行制备，发电唯一的副产物是纯水，从燃料的来源端及发电产生的废弃物来看，氢燃料电池可以说是一种十分清洁的发电设备。而且，制作氢燃料电池的原材料较为易得，目前使用的少量贵金属材料在不久的将来有被非贵金属替代的趋势，所以在制造成本上可以做到较低的水平，且不易受到原材料影响能够大规模生产。种种优势，使得氢燃料电池受到了来自国内外广泛的关注。

2 国内燃料电池发展情况

氢燃料电池总类较多，有质子交换膜氢燃料电池、碱性氢燃料电池、熔融盐氢燃料电池、固态氧化物氢燃料电池、阴离子氢燃料电池、磷酸氢燃料电池等，目前在国内发展较早且产业链比较完整的是质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池工作温度较低约355 K，具有体积相对紧凑、功率密度较高、加载速度快等特点，对于车载应用有一定优势，因此在国内氢能发展的现阶段，质子交换膜燃料电池能够脱颖而出进行一定的推广。目前来看，相较其他类型燃料电池，国内质子交换膜氢燃料电池的相关产业链更为成熟完整，并且国内的质子交换膜燃料电池已经基本摆脱了对国外供应商的依赖，能够自给自足批量地进行生产。

氢燃料电池目前主要的应用场景是车载发电，从最开始装备在车上的30 kW氢燃料电池系统到目前主流的120 kW系统，按照“乘锂商氢”的策略，氢燃料电池系統逐步朝着大功率、高能量密度的方向发展，重点匹配货运拖挂、散装物料车、长途客车等中大型商用车。

3 提升燃料电池性能方法

随着需求端对燃料电池系统功率的进一步要求，系统厂商在逐步开展大功率及高功率密度燃料电池系统的开发。为了达到更高的功率要求，且尽量控制整体重量和体积，可以通过很多方法实现，比如增加膜电极的有效反应面积、增加单电池片数、减薄膜电极和双极板、提升膜电极功率密度等。但是受到反应物分配均匀性、生成水排出及时性、材料机械性能等因素影响，膜电极的反应面积增大空间有限，燃料电池电堆的单电池数量继续增加难度增大，膜电极和双极板的厚度很难持续减薄，按照目前的技术水平，从这三个方面基本无法继续提升燃料电池性能，所以大家将目光集中在了提升功率密度上。提升功率密度可以从改善催化剂性能、优化三相界面结构、提升反应接触面积、提高反应物压强、提高反应温度等方面入手[1]。其中在氢燃料电池电堆的设计层面，提升功率密度比较好的手段是提高反应物的压强。其他条件不变的情况下，提升反应氢气和空气的压强能够直接提升单体电压值，从而提升相同工况电流情况下的电堆输出功率，达到提升氢燃料电池电堆输出功率的目的。氢燃料电池系统的空气侧操作压强从示范运行早期的60 kPa上升到如今的150 kPa左右，操作压强的提升是很明显的。

操作压强对电流密度的提升起到的作用，可以通过理论计算进行论证，而且从理论公式中可以推断只要不断提升操作压强就能不断提升功率密度，可以参考吉布斯自由能公式[2]：

[Δgf=Δg0f-RTlnaH2a12O2aH2O]                   （1）

将式（1）转化成能斯特公式：

[E=-Δg0f2F+RT2FlnaH2a12O2aH2O]                   （2）

因为反应温度是355 K，所以[aH2O]取值为1，因而理论上只要提高氢气和氧气反应时候的压强就能提高相同电压下的电流密度。但是实际操作中，提高操作压力会受到一些因素的限制，比如燃料电池电堆的结构需要针对反应物压力升高进行加强、压强增大使得单位体积气体含水量降低影响电堆排水性。本文主要针对燃料电池电堆水管理方面进行研究，结合环境湿度的实际情况给出操作压力的相关设计参考建议。

4 燃料电池水管理

燃料电池中质子交换膜的湿润性直接影响膜的导电性，较干的膜的离子导电性不如湿润膜的离子导电性，过湿又容易造成电堆水淹。因此，水的平衡在电堆运行中尤为重要。

电堆中水的主要来源是氢气和氧气反应生成的水，其他的水来源于反应气体如阴极侧空气中的水，阳极侧因为来源氢气纯度较高一般不含水分，所以外界水的来源主要是阴极侧的空气。水的迁出主要有两方面，其中绝大部分是通过阴极侧出堆的反应气体以水蒸气的形式带出电堆，小部分是通过液态水的形式从阳极或者阴极侧排气排水口迁出。在电堆的正常工况下，电堆内部出现的液态水会严重影响电堆的正常工作甚至损坏电堆，主要原因是电堆流道中的液态水会堵塞流道，MEA中的液态水也会影响气体传输，使电堆局部缺乏反应气体，导致反极、催化剂团聚甚至膜的穿孔[1]。为了防止液态水的产生，在燃料电池系统层面需要确保反应气体在电堆内部的相对湿度维持在合适范围，一般不超过99%的相对湿度。反应气体从电堆入口到电堆出口会持续带走电堆中反应生成的水，绝大部分是以水蒸气的形式一同排出，为了保证排水能力，需要保证反应气体在电堆各个区域特别是出电堆时的相对湿度不超出范围，使其具备良好的排水性能[3]。

5 环境空气水含量计算

燃料电池反应出口空气中的水主要来源于环境空气和电化学反应生成的水。其中，对于环境中空气所含水分，为方便计算可将水在空气中的含量转化成水在混合气体中分压的比例，计算公式如下：

[PwPsur=nwnsur]                                 （3）

6 电化学反应生成水量计算

电堆生成水量的计算公式如下：

[nw=Pe2VcF]                            （4）

電堆出口气体含水量计算公式如下：

[PwPexit=nwnW+nO2+nrest]                    （5）

7 最高操作压力计算

电堆生成的大部分水需要通过空气带出，只有当空气湿度处于100%以下时，空气才能从外界持续吸收水分，所以在空气流经整个电堆内部的过程中，需要让空气湿度处于非饱和状态[4]。不同的环境空气湿度，通过模型可以计算出允许的最大空气侧操作压力以保证电堆生成的水能顺利排出。

电堆出口的相对湿度计算公式如下：

[φ=PwPsat]                              （6）

电堆的模型参数如表1所示。

由计算结果可以发现，其他参数保持不变的情况下，环境湿度升高，允许最高操作压力值就会降低。针对模拟的电堆参数，在环境温度为38 ℃时当环境湿度超过70%情况下，出堆气体湿度将会饱和，电堆可能会出现水淹情况，水淹会造成电堆不可逆地损坏。该燃料电池系统在高湿度环境运行可能出现的水淹情况，在设计之初，可根据工作环境湿度适当降低操作压强设定值，或者在高湿度环境中根据电堆情况降低操作压强从而避免高湿环境带来的水淹情况。

8 结语

为了进一步提升燃料电池的性能，提高操作压力是一种简单有效的办法，但是通过计算分析可以看出，操作压力的升高能够提升燃料电池的性能，但是会降低其在高湿度环境的排水能力，增加了水管理的难度，让燃料电池无法在高湿度环境中正常运行。相反，降低操作压力，燃料电池性能会下降，但是能够提升其在高湿环境下的适应性。通过对不同环境湿度和不同操作压强的联合分析，可以探究通过增加操作压强提升燃料电池性能的边界，对高性能燃料电池设计提供了有效的参考。

参考文献：

[1]Qin C，Wang J，Yang D，et al.Proton Exchange Membrane Fuel Cell Reversal：A Review[J]. Catalysts 2016，6：197-209.

[2]James L.Fuel Cell Systems Explained.Andrew Dicks[M]. Second Edition.England：John Wiley & Sons Ltd，2002.

[3]Lee J H，Lalk T R. Modeling fuel cell stack systems[J].Journal of Power Sources，1998，73（2）：229-241.

[4]Shen C，Xu S，Gao Y. Analysis of Fuel Cell Stack Performance Attenuation and Individual Cell Voltage Uniformity Based on the Durability Cycle Condition[J]. Polymers，2021，13：1199-1211.

作者简介：

陈鑫，男，1991年生，硕士研究生，研究方向为氢燃料电池技术。