PEM燃料電池穩(wěn)定運行的工作條件分析

張選高，王曉晨

PEM燃料電池穩(wěn)定運行的工作條件分析

張選高1，王曉晨2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢市氫燃料電池工程技術研究中心，武漢 430064）

質子交換膜燃料電池持續(xù)穩(wěn)定運行的理想工作條件是保持質子交換膜聚合物電解質的充分水合，陰極與陽極多余的水分及時的排出，保持電化學反應的水熱平衡，本文對質子交換膜燃料電池的水熱平衡進行了分析計算，提出通過選取燃料電池的最佳工作條件參數(shù)保障燃料電池的持續(xù)穩(wěn)定運行。表明通過溫度、壓力、濕度、過量系數(shù)的選取，可確定燃料電池的最佳工作狀態(tài)。

質子交換膜燃料電池 穩(wěn)定運行 水熱平衡 工作條件 分析與計算

0 引言

質子交換膜燃料電池（PEM燃料電池）具有發(fā)電效率高、零排放、安靜、低溫運行等優(yōu)點，是公認的一種具有廣泛發(fā)展前景的清潔能源裝置。世界很多組織機構都進行了深入研究，經過多年的發(fā)展，取得了突破性進展。

PEM燃料電池的燃料是氫氣，氧化劑是氧氣，電解質是質子交換膜聚合物。PEM燃料電池電化學反應的產物是水，水進入聚合物電解質會提高其質子傳導性，但過高的水分含量又會導致電解質被淹沒，并導致氣體通向催化層的通道被水堵塞。此外PEM燃料電池工作過程中會有50%左右的廢熱產生，如果未及時排出廢熱會導致聚合物電解質溫度高溫脫水。

PEM燃料電池的理想的工作條件是生成的水滿足電解質的正常水化要求，多余的水被過量的反應氣體帶出，同時產生的廢熱通過熱交換達到平衡，使電化學反應的溫度維持在適宜的范圍內。水與熱的平衡是PEM燃料電池穩(wěn)定運行的重要條件。

國內外對PEM燃料電池的穩(wěn)定運行條件進行深入的研究。分析了燃料電池的工作條件對電性能的影響，并給出了近似的關系方程[1]。國內對PEM燃料電池的水熱平衡管理進行的研究，分析了氣體通道和擴散層中的流場對水的傳遞的影響，和重力對液態(tài)排水的影響[2][3]。中國科學院大連化學物理研究所提出了液體蒸發(fā)冷卻排出廢熱的方法，并申請了專利[4]。本文從PEM燃料電池的工作條件入手，提出了通過選取燃料電池的最佳工作條件參數(shù)，維持PEM燃料電池的水熱平衡，從而保障燃料電池的持續(xù)穩(wěn)定運行。

1 PEM燃料電池的工作條件

燃料電池工作條件包括溫度、壓力、濕度、過量系數(shù)、反應氣濃度等。由于空氣是最容易獲得、最廉價的氧化劑，燃料電池的陰極反應氣一般是空氣，陽極反應氣一般是純氫氣。溫度、壓力、濕度、過量系數(shù)是方便可控的操作條件，本文主要討論溫度、壓力、濕度、過量系數(shù)對電堆穩(wěn)定運行的影響。

2 PEM燃料電池的工作條件與水平衡

2.1 PEM燃料電池的工作條件與水的遷移

PEM燃料電池電化學反應發(fā)生在質子交換膜的兩側。氫氣在陽極的鉑催化劑的作用下，電離成質子和電子，電子通過外電路流向陰極，質子穿過質子交換膜聚合物電解質進入陰極，與陰極的氧及外電路流過來的電子結合生產水。PEM燃料電池電化學反應過程原理見圖1。

圖1 PEM燃料電池工作原理

PEM燃料電池的產物水在陰極生成。產物水的遷移有以下3種：

1）隨陰極過量的反應氣排出燃料電池。2）進入質子交換膜聚合物電解質。聚合膜電解質的質子導電性與水含量正相關。3）穿透聚合膜，進入陽極。這部分從陰極到陽極的凈通量，最后通過陽極過量反應氣帶出燃料電池。

PEM燃料電池水的合理平衡最重要的是保持質子交換膜聚合物電解質的充分水合，以及陰極與陽極多余的水分及時的排出。

工作條件參數(shù)對PEM燃料電池的排水性能具有極其重要的影響。可以通過選取最佳的溫度、壓力、濕度、過量系數(shù)，控制燃料電池氣態(tài)與液態(tài)排水的比例，使陰極與陽極存在少量的液態(tài)水，可既保持質子交換膜處于良好的水合狀態(tài)，又避免水淹。

2.2 PEM燃料電池的工作條件對氣態(tài)與液態(tài)排水比例的影響

PEM燃料電池電化學反應生成水，在氣態(tài)下較容易隨過量的反應氣帶出，而液態(tài)水具有吸附作用較難排出。PEM燃料電池的工作條件對排水性能的影響，主要體現(xiàn)在對氣態(tài)與液態(tài)排水比例的影響。溫度、壓力影響反應氣及尾氣的飽和含水量，過量系數(shù)決定氣體吹掃的速度，以及吸納水蒸氣的總量。此外高溫下過量反應氣的吹掃對兩極有干燥作用。下文將對工作條件對氣態(tài)與液態(tài)排水比例的影響進行分析計算。

2.2.1陽極氣態(tài)與液態(tài)排水比例的計算

生成水的質量：

S：氫氣的過量系數(shù)；：氫氣相對濕度；P：工作溫度下飽和水蒸汽分壓；:工作壓力；r：水從氧側向氫側遷移的凈通量

陽極尾氣飽和水蒸汽的含水質量：

陽極氣態(tài)排水份額：

2.2.2陽極氣態(tài)與液態(tài)排水比例的計算

極尾氣中的含水量：

極尾氣飽和水蒸汽的含水量：

陰極尾排中含液態(tài)水的條件：

陰極氣態(tài)排水份額：

3 PEM燃料電池的工作條件與熱平衡

燃料電池產生的廢熱需要通過冷卻液帶走，為保證電池組溫度分布的均勻性，進出口冷卻液溫差不超10℃。保持冷卻液溫差小需要增大冷卻液流量，這會導致輔機功耗加大。一般溫差控制在5~10℃，較為經濟合理。此外燃料電池的廢熱對反應氣加熱，并將生成水汽化，起到增濕作用，應考慮反應氣溫升及生成水汽化所帶走的熱量。下文將對維持電化學反應熱平衡的工作條件進行分析計算。

陽極側尾氣中的水蒸氣的質量含量為：

水蒸氣質量為：

陽極反應氣溫升與水汽化所需要的熱量：

陰極側尾氣中的水蒸氣的質量含量為：

其中：陰極進口反應氣中的水蒸汽的質量含量為：

則汽化的水的質量為：

陰極反應氣溫升與水汽化所需要的熱量：

4 PEM燃料電池穩(wěn)定運行的最佳工作條件分析

燃料電池出口處因溫度升高以及流場阻力引起的壓力下降，會導致出口處的質子交換膜加速脫水。保持兩極少量液態(tài)水的積聚，可以防止質子交換膜的脫水，提高膜的水合狀態(tài)。但過多的液態(tài)水的積聚就會堵塞氣體擴散層，阻礙反應氣到達催化層和質子交換膜，增加濃差極化，影響燃料電池的持續(xù)穩(wěn)定運行。氣態(tài)水通常是容易隨過量的反應氣帶出，而液態(tài)水具有吸附作用較難排出。通常是通過適宜流場結構，使反應氣體具有一定的流速，將液態(tài)水吹掃帶出。在選擇電池的運行條件時，應盡可能使絕大部分排水份額為氣態(tài)排水，同時保持小部分的液態(tài)排水。綜合考慮，控制陰極氣態(tài)排水份額在80%~90%之間為優(yōu)[4]。

PEM燃料電池穩(wěn)定運行的最佳工作條件應綜合考慮。既要提高排水性能，以利于電化學反應的進行，還應保持系統(tǒng)高效。

4.1 工作條件與排水性能的分析

以某型氫空燃料電池為例，初步選定一組工作條件參數(shù)，在此基礎上逐步改變某一項參數(shù)，分析其對燃料電池排水性能的影響，通過迭代選取最佳的溫度、壓力、濕度、過量系數(shù)。根據2.2節(jié)的公式，分析工作條件參數(shù)與氣體排水份額關系曲線圖，如圖2-9所示。

圖2 工作壓力與陽極氣態(tài)排水份額

圖3 工作壓力與陰極氣態(tài)排水份額

其中圖2、圖3是工作壓力與氣態(tài)排水份額關系曲線圖，圖4、圖5是工作溫度與氣態(tài)排水份額關系曲線圖，圖6、圖7是反應氣濕度與氣態(tài)排水份額關系曲線圖，圖8、圖9是反應氣過量系數(shù)與氣態(tài)排水份額關系曲線圖。

圖4 工作溫度與陽極氣態(tài)排水份額

圖5 工作溫度與陰極氣態(tài)排水份額

圖6 氫氣濕度與陽極氣態(tài)排水份額

圖7 空氣濕度與陰極氣態(tài)排水份額

由上述工作條件參數(shù)與氣態(tài)排水份額關系曲線圖可知，工作壓力越高，氣態(tài)排水份額越低。工作溫度越高，氣態(tài)排水份額越高。反應氣濕度越高，氣態(tài)排水份額越低。過量系數(shù)越大，氣態(tài)排水份額越高。

表1是根據上述工作條件參數(shù)與氣態(tài)排水份額關系曲線圖得出的最佳工作條件參數(shù)，陽極、陰極氣態(tài)排水份額均在80%~90%之間，電堆具有最佳排水性能。

圖8 氫氣過量系數(shù)與陽極氣態(tài)排水份額

圖9 空氣過量系數(shù)與陰極氣態(tài)排水份額

表1 工作條件參數(shù)表

4.2 最佳工作條件的綜合分析

燃料電池的工作溫度越高，電化學反應速率越高。但過高的溫度會造成質子交換膜脫水，影響膜的質子傳導能力。燃料電池的工作溫度一般小于80℃。

燃料電池的工作壓力越高，越有利于反應氣體的傳輸。但流量不變的情況下，氣體壓力越高，流速越低，越不利于液態(tài)水的吹掃排出。此外，空氣壓力的提高，會造成空壓機功耗的增加。

反應氣過量系數(shù)越大，氣體流量越大，吹掃速度就越高，排水越充分。但過量系數(shù)不宜過高，否則將會造電堆過于干燥，并增加輔機功耗，降低系統(tǒng)效率。

對反應氣增濕可有效的防止質子交換膜過于干燥。但濕度不宜過高，否則容易造成燃料電池被水淹，并且過高濕度對增濕器等輔助設備要求將大幅提高，實現(xiàn)成本高。

可根據燃料電池合理的氣體排水份額區(qū)間及工作條件參數(shù)與氣體排水份額關系曲線，確定排水性能最佳的工作條件參數(shù)，再綜合考慮電堆結構特點、輔助設備的經濟運行參數(shù)，確定燃料電池最佳的工作條件。

5 總結

PEM燃料電池水的合理平衡最重要的是保持質子交換膜聚合物電解質的充分水合，以及陰極與陽極多余的水分及時排出。電化學反應的水熱平衡是PEM燃料電池穩(wěn)定運行的重要條件。

通過選取最佳的溫度、壓力、濕度、過量系數(shù)，控制燃料電池氣態(tài)與排水比例，使陰極與陽極存在少量的水，可既保持質子交換膜處于良好的水合狀態(tài)，又避免水淹。

在選擇PEM燃料電池工作條件的同時，需要綜合考慮電堆結構特點、電化學反應效率、輔助設備的經濟運行參數(shù)等，確定最佳的工作條件。

[1] 弗朗諾· 巴爾伯. PEM燃料電池:理論與實踐[M].機械工業(yè)出版社, 2016.

[2] 吳玉厚, 陳士忠. 質子交換膜燃料電池的水管理研究[M]. 科學出版社, 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] 衣寶廉. 燃料電池—原理·技術·應用[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2003.

[5] 葛善海, 衣寶廉, 徐洪峰. 質子交換膜燃料電池水傳遞模型[J]. 化工學報, 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“新能源汽車重點專項”（2017YFB103000）

張選高（1987-），男，工程師。研究方向：燃料電池系統(tǒng)。E-mail: high1108@163.com