劉露萍

（重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160）

質(zhì)子交換膜燃料電池加濕技術(shù)研究

劉露萍

（重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160）

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）電堆的加濕效果不僅影響電堆的輸出性能，還決定著電堆的穩(wěn)定性，從而影響PEMFC 的性能和壽命。本文介紹了多種不同的加濕方式，并比較了各種加濕技術(shù)的特點(diǎn)，為 PEMFC 加濕方式的最優(yōu)選擇提供了依據(jù)。

PEMFC；加濕；電堆性能

由于煤、石油等不可再生能源的儲量減少，傳統(tǒng)能源在利用時對環(huán)境的巨大污染和轉(zhuǎn)化效率低，人們越來越關(guān)注質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展，質(zhì)子交換膜燃料電池是一種高效的發(fā)電裝置，它利用氫氣和氧化物之間的電化學(xué)反應(yīng)獲得電能。目前我國大力發(fā)展新能源電動汽車，質(zhì)子交換膜燃料電池具有啟動速度快、溫度適用范圍廣、無污染、可靠性高的特點(diǎn)，是適合新能源電動汽車發(fā)展的一種理想動力來源。質(zhì)子交換膜燃料電池中電堆的濕度對其性能有巨大的影響，本文對質(zhì)子交換膜燃料電池性能的電堆增濕技術(shù)進(jìn)行了分析介紹。

1 濕度對 PEMFC 性能的影響

質(zhì)子交換膜燃料電池的含水量會影響質(zhì)子膜的導(dǎo)電性，含水量增加，質(zhì)子膜的導(dǎo)電性也增加，保持水平衡所需的電流密度隨質(zhì)子交換膜燃料電池中的氫氣濕度增加而降低。質(zhì)子交換膜燃料電池的最大輸出電流，會隨氫氣濕度的不同發(fā)生變化。圖1是某種質(zhì)子交換膜燃料電池中氣體含水量對電池最大放電電流的影響圖，圖中顯示電池的最大放電電流隨氣體中含水量的增加先增加后減小，在反應(yīng)氣體中含水量為400mg/L 時電池的輸出電流達(dá)到最大值。

如果發(fā)生質(zhì)子交換燃料電池的電流密度增加，質(zhì)子交換燃料電池工作電壓下降，是由于質(zhì)子交換燃料電池中質(zhì)子膜不夠濕潤，導(dǎo)致電池的內(nèi)阻增加，從而大大降低電池的工作電壓。

圖1 氣體中含水量對最大放電電流的影響

由此可見，如果質(zhì)子交換燃料電池中的反應(yīng)氣體濕度不夠,而在反應(yīng)過程中陰極生成的水又不能擴(kuò)散到陽極,陽極一側(cè)的質(zhì)子膜會因此失水變干；而在反應(yīng)氣體大量通過時，會形成氣流，氣流使得陰極入口處的質(zhì)子膜也失去水分而變干,變干后的質(zhì)子膜電阻增加，從而質(zhì)子交換燃料電池的內(nèi)阻將大大增加,最終導(dǎo)致電堆失效而不能正常工作。因此質(zhì)子交換燃料電池在工作時，必須保證反應(yīng)氣體的濕度，采取相應(yīng)的加濕措施。如果使用空氣作為氧化劑，空氣加濕也十分重要。

對反應(yīng)氣體加濕，保持質(zhì)子膜的濕潤度對質(zhì)子交換燃料電池保持其性能十分重要，但如果反應(yīng)氣體的含水量過多，也會影響質(zhì)子交換燃料電池電堆的性能，這是由于所有單電池都是通過公共通道供氣，氣流的流速并不完全均勻，如果某單電池中反應(yīng)氣體流速過小，不能將過量的水帶走，這些水就會造成堵塞，濃差極化甚至造成反極。在有催化劑的作用下，由于堵塞混在一起的燃料和氧化劑很可能會發(fā)生爆炸燃燒，導(dǎo)致質(zhì)子交換燃料電池的電堆損壞失效。因此,采用合理的加濕方法使加濕效果達(dá)到最佳是提高電堆性能的關(guān)鍵。

2 質(zhì)子交換膜燃料電池的增濕技術(shù)

2.1 外部加濕的方法

外部加濕法是質(zhì)子交換膜燃料電池的增濕技術(shù)中比較常見的方法。外部加濕法是在反應(yīng)氣體進(jìn)入電堆前，通過外部附加的加濕設(shè)備對其增濕，外部加濕設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。外部加濕法加濕時在一個高于電堆工作溫度 10～15℃的溫度下進(jìn)行,在高于電堆的溫度下進(jìn)行加濕的目的是提高氣體的含水量，將更多的水帶入電堆。外部增濕的方法中比較常見的有升溫增濕、滲透膜增濕和直接液態(tài)水注射增濕三種。

圖2 外部加濕設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

2.2 內(nèi)部加濕的方法

內(nèi)部加濕法與外部加濕法不同，它是將水直接通過水泵帶入到電堆中,再將帶入的水根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分配實(shí)現(xiàn)加濕。帶入水的合理分配是內(nèi)部加濕法的關(guān)鍵，一般是通過設(shè)計(jì)雙極板結(jié)構(gòu)或擴(kuò)散層的方法來實(shí)現(xiàn)帶入電堆水的合理的分配。雙極板結(jié)構(gòu)內(nèi)加濕法是采用特殊的碳板來實(shí)現(xiàn) , 這種多孔碳板孔隙率非常高，空氣能夠通過這些孔隙到達(dá)催化層 , 同時孔隙中儲存的大量水分又可用來對質(zhì)子交換膜進(jìn)行加濕，另外通過將反應(yīng)中生成的水滯留在極板中來實(shí)現(xiàn)極板中的水量的保持。

UTC 公司利用擴(kuò)散層的方法，將親水和疏水兩種截然不同的基體層組合成一個擴(kuò)散層，在質(zhì)子膜的陽極和陰極擴(kuò)散層部位，是由親基體層構(gòu)成,利用親水基體層的親水、吸水性能保持質(zhì)子膜的潤濕程度。

2.3 自增濕方法

自增濕方法跟內(nèi)部加濕法有相同的地方，它也需要改變質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部構(gòu)造。自增濕方法區(qū)別于內(nèi)部加濕法的地方在于用于增濕的水來源不同，自增濕法的水來源于陰極中反應(yīng)生成的水。在質(zhì)子交換膜燃料電池中的質(zhì)子膜，由于陰極在反應(yīng)中會生成水保持一定的濕度，而陽極則干燥得多,這就形成了一個較大的濃度差,水就會向陽極擴(kuò)散，在這個過程中反應(yīng)氣體可以得到加濕。日本學(xué)者M(jìn).watnabel提出在質(zhì)子膜中利用電鍍的方法形成高度分散的催化劑 R 粒子，使膜中的反應(yīng)氣體 H2和O2在催化作用下反應(yīng)，反應(yīng)所生成的水就能保持膜的潤濕。

自增濕方法一般用于小功率低溫型的電堆中，這是由于利用自增濕方法用于增濕的反應(yīng)生成水量不大，增濕的效果有限，但使用這種增濕方法對于簡化電堆系統(tǒng),提高電堆的體積功率比和重量功率比卻具有十分重要的意義。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際情況綜合利用幾種增濕法對電堆進(jìn)行增濕。比如陽極側(cè)和陰極側(cè)就可以根據(jù)自身的特點(diǎn)，分別利用滲透膜加濕和直接液態(tài)水注射加濕的方法。

3 結(jié)語

質(zhì)子交換膜的濕潤程度對 PEMFC 的性能、壽命及穩(wěn)定性都起著關(guān)鍵作用，而加濕效果取決于所采用的加濕技術(shù)。本文首先分析了濕度對 PEMFC性能的影響，也對外部加濕、內(nèi)部加濕及自增濕三種加濕技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)地介紹，三種加濕技術(shù)各有優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中可以將它們進(jìn)行組合加濕。自增濕技術(shù)沒有龐大復(fù)雜的外部輔助增濕設(shè)備，簡化了電堆系統(tǒng)同時也降低了制造成本，因此 PEMFC自增濕技術(shù)將有更加廣闊的前景。

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1671-0711（2017）03（下）-0099-02

重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)科研項(xiàng)目（K201312）