質子交換膜燃料電池加濕技術研究

劉露萍

（重慶水利電力職業技術學院，重慶 402160）

質子交換膜燃料電池加濕技術研究

劉露萍

（重慶水利電力職業技術學院，重慶 402160）

質子交換膜燃料電池（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的特點，為 PEMFC 加濕方式的最優選擇提供了依據。

PEMFC；加濕；電堆性能

由于煤、石油等不可再生能源的儲量減少，傳統能源在利用時對環境的巨大污染和轉化效率低，人們越來越關注質子交換膜燃料電池的發展，質子交換膜燃料電池是一種高效的發電裝置，它利用氫氣和氧化物之間的電化學反應獲得電能。目前我國大力發展新能源電動汽車，質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，是適合新能源電動汽車發展的一種理想動力來源。質子交換膜燃料電池中電堆的濕度對其性能有巨大的影響，本文對質子交換膜燃料電池性能的電堆增濕技術進行了分析介紹。

1 濕度對 PEMFC 性能的影響

質子交換膜燃料電池的含水量會影響質子膜的導電性，含水量增加，質子膜的導電性也增加，保持水平衡所需的電流密度隨質子交換膜燃料電池中的氫氣濕度增加而降低。質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生變化。圖1是某種質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，在反應氣體中含水量為400mg/L 時電池的輸出電流達到最大值。

如果發生質子交換燃料電池的電流密度增加，質子交換燃料電池工作電壓下降，是由于質子交換燃料電池中質子膜不夠濕潤，導致電池的內阻增加，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，如果質子交換燃料電池中的反應氣體濕度不夠,而在反應過程中陰極生成的水又不能擴散到陽極,陽極一側的質子膜會因此失水變干；而在反應氣體大量通過時，會形成氣流，氣流使得陰極入口處的質子膜也失去水分而變干,變干后的質子膜電阻增加，從而質子交換燃料電池的內阻將大大增加,最終導致電堆失效而不能正常工作。因此質子交換燃料電池在工作時，必須保證反應氣體的濕度，采取相應的加濕措施。如果使用空氣作為氧化劑，空氣加濕也十分重要。

對反應氣體加濕，保持質子膜的濕潤度對質子交換燃料電池保持其性能十分重要，但如果反應氣體的含水量過多，也會影響質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生爆炸燃燒，導致質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到最佳是提高電堆性能的關鍵。

2 質子交換膜燃料電池的增濕技術

2.1 外部加濕的方法

外部加濕法是質子交換膜燃料電池的增濕技術中比較常見的方法。外部加濕法是在反應氣體進入電堆前，通過外部附加的加濕設備對其增濕，外部加濕設備結構如圖2所示。外部加濕法加濕時在一個高于電堆工作溫度 10～15℃的溫度下進行,在高于電堆的溫度下進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水注射增濕三種。

圖2 外部加濕設備結構圖

2.2 內部加濕的方法

內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,再將帶入的水根據內部結構進行分配實現加濕。帶入水的合理分配是內部加濕法的關鍵，一般是通過設計雙極板結構或擴散層的方法來實現帶入電堆水的合理的分配。雙極板結構內加濕法是采用特殊的碳板來實現 , 這種多孔碳板孔隙率非常高，空氣能夠通過這些孔隙到達催化層 , 同時孔隙中儲存的大量水分又可用來對質子交換膜進行加濕，另外通過將反應中生成的水滯留在極板中來實現極板中的水量的保持。

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

2.3 自增濕方法

自增濕方法跟內部加濕法有相同的地方，它也需要改變質子交換膜燃料電池內部構造。自增濕方法區別于內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生成的水。在質子交換膜燃料電池中的質子膜，由于陰極在反應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,水就會向陽極擴散，在這個過程中反應氣體可以得到加濕。日本學者M.watnabel提出在質子膜中利用電鍍的方法形成高度分散的催化劑 R 粒子，使膜中的反應氣體 H2和O2在催化作用下反應，反應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,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。

在實際應用中，可以根據實際情況綜合利用幾種增濕法對電堆進行增濕。比如陽極側和陰極側就可以根據自身的特點，分別利用滲透膜加濕和直接液態水注射加濕的方法。

3 結語

質子交換膜的濕潤程度對 PEMFC 的性能、壽命及穩定性都起著關鍵作用，而加濕效果取決于所采用的加濕技術。本文首先分析了濕度對 PEMFC性能的影響，也對外部加濕、內部加濕及自增濕三種加濕技術進行了詳細地介紹，三種加濕技術各有優勢，在實際應用中可以將它們進行組合加濕。自增濕技術沒有龐大復雜的外部輔助增濕設備，簡化了電堆系統同時也降低了制造成本，因此 PEMFC自增濕技術將有更加廣闊的前景。

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TM911.4

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1671-0711（2017）03（下）-0099-02

重慶水利電力職業技術學院重點科研項目（K201312）