高濕度環境對高性能燃料電池系統設計的影響

陳鑫 孟令宇

摘要：質子交換膜燃料電池對膜的干濕情況及電堆內部液態水含量十分敏感，膜電極的干濕情況直接影響燃料電池的性能，工作時電堆內部過多的液態水會對電堆造成不可逆地損傷，而我國地域廣闊，不同地區間環境濕度情況大不相同，巨大的環境濕度差異對燃料電池水管理帶來了很大難度，特別是操作條件更高的高性能燃料電池系統，水管理的難度也更大。針對該情況，從燃料電池實際運行的環境濕度出發，研究較高環境濕度情況對高性能燃料電池操作條件的影響，通過使用燃料電池電堆參數進行匹配性仿真計算，給出針對性的燃料電池系統設計建議。

關鍵詞：燃料電池；水管理；環境濕度；壓強

中圖分類號：U743? 收稿日期：2023-11-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.013

1 前言

氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣通過電化學方式發電的新能源發電設備。燃料電池發電所需的氫氣可通過可再生能源進行制備，發電唯一的副產物是純水，從燃料的來源端及發電產生的廢棄物來看，氫燃料電池可以說是一種十分清潔的發電設備。而且，制作氫燃料電池的原材料較為易得，目前使用的少量貴金屬材料在不久的將來有被非貴金屬替代的趨勢，所以在制造成本上可以做到較低的水平，且不易受到原材料影響能夠大規模生產。種種優勢，使得氫燃料電池受到了來自國內外廣泛的關注。

2 國內燃料電池發展情況

氫燃料電池總類較多，有質子交換膜氫燃料電池、堿性氫燃料電池、熔融鹽氫燃料電池、固態氧化物氫燃料電池、陰離子氫燃料電池、磷酸氫燃料電池等，目前在國內發展較早且產業鏈比較完整的是質子交換膜燃料電池。質子交換膜燃料電池工作溫度較低約355 K，具有體積相對緊湊、功率密度較高、加載速度快等特點，對于車載應用有一定優勢，因此在國內氫能發展的現階段，質子交換膜燃料電池能夠脫穎而出進行一定的推廣。目前來看，相較其他類型燃料電池，國內質子交換膜氫燃料電池的相關產業鏈更為成熟完整，并且國內的質子交換膜燃料電池已經基本擺脫了對國外供應商的依賴，能夠自給自足批量地進行生產。

氫燃料電池目前主要的應用場景是車載發電，從最開始裝備在車上的30 kW氫燃料電池系統到目前主流的120 kW系統，按照“乘鋰商氫”的策略，氫燃料電池系統逐步朝著大功率、高能量密度的方向發展，重點匹配貨運拖掛、散裝物料車、長途客車等中大型商用車。

3 提升燃料電池性能方法

隨著需求端對燃料電池系統功率的進一步要求，系統廠商在逐步開展大功率及高功率密度燃料電池系統的開發。為了達到更高的功率要求，且盡量控制整體重量和體積，可以通過很多方法實現，比如增加膜電極的有效反應面積、增加單電池片數、減薄膜電極和雙極板、提升膜電極功率密度等。但是受到反應物分配均勻性、生成水排出及時性、材料機械性能等因素影響，膜電極的反應面積增大空間有限，燃料電池電堆的單電池數量繼續增加難度增大，膜電極和雙極板的厚度很難持續減薄，按照目前的技術水平，從這三個方面基本無法繼續提升燃料電池性能，所以大家將目光集中在了提升功率密度上。提升功率密度可以從改善催化劑性能、優化三相界面結構、提升反應接觸面積、提高反應物壓強、提高反應溫度等方面入手[1]。其中在氫燃料電池電堆的設計層面，提升功率密度比較好的手段是提高反應物的壓強。其他條件不變的情況下，提升反應氫氣和空氣的壓強能夠直接提升單體電壓值，從而提升相同工況電流情況下的電堆輸出功率，達到提升氫燃料電池電堆輸出功率的目的。氫燃料電池系統的空氣側操作壓強從示范運行早期的60 kPa上升到如今的150 kPa左右，操作壓強的提升是很明顯的。

操作壓強對電流密度的提升起到的作用，可以通過理論計算進行論證，而且從理論公式中可以推斷只要不斷提升操作壓強就能不斷提升功率密度，可以參考吉布斯自由能公式[2]：

[Δgf=Δg0f-RTlnaH2a12O2aH2O]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

將式（1）轉化成能斯特公式：

[E=-Δg0f2F+RT2FlnaH2a12O2aH2O]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

因為反應溫度是355 K，所以[aH2O]取值為1，因而理論上只要提高氫氣和氧氣反應時候的壓強就能提高相同電壓下的電流密度。但是實際操作中，提高操作壓力會受到一些因素的限制，比如燃料電池電堆的結構需要針對反應物壓力升高進行加強、壓強增大使得單位體積氣體含水量降低影響電堆排水性。本文主要針對燃料電池電堆水管理方面進行研究，結合環境濕度的實際情況給出操作壓力的相關設計參考建議。

4 燃料電池水管理

燃料電池中質子交換膜的濕潤性直接影響膜的導電性，較干的膜的離子導電性不如濕潤膜的離子導電性，過濕又容易造成電堆水淹。因此，水的平衡在電堆運行中尤為重要。

電堆中水的主要來源是氫氣和氧氣反應生成的水，其他的水來源于反應氣體如陰極側空氣中的水，陽極側因為來源氫氣純度較高一般不含水分，所以外界水的來源主要是陰極側的空氣。水的遷出主要有兩方面，其中絕大部分是通過陰極側出堆的反應氣體以水蒸氣的形式帶出電堆，小部分是通過液態水的形式從陽極或者陰極側排氣排水口遷出。在電堆的正常工況下，電堆內部出現的液態水會嚴重影響電堆的正常工作甚至損壞電堆，主要原因是電堆流道中的液態水會堵塞流道，MEA中的液態水也會影響氣體傳輸，使電堆局部缺乏反應氣體，導致反極、催化劑團聚甚至膜的穿孔[1]。為了防止液態水的產生，在燃料電池系統層面需要確保反應氣體在電堆內部的相對濕度維持在合適范圍，一般不超過99%的相對濕度。反應氣體從電堆入口到電堆出口會持續帶走電堆中反應生成的水，絕大部分是以水蒸氣的形式一同排出，為了保證排水能力，需要保證反應氣體在電堆各個區域特別是出電堆時的相對濕度不超出范圍，使其具備良好的排水性能[3]。

5 環境空氣水含量計算

燃料電池反應出口空氣中的水主要來源于環境空氣和電化學反應生成的水。其中，對于環境中空氣所含水分，為方便計算可將水在空氣中的含量轉化成水在混合氣體中分壓的比例，計算公式如下：

[PwPsur=nwnsur]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

6 電化學反應生成水量計算

電堆生成水量的計算公式如下：

[nw=Pe2VcF]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

電堆出口氣體含水量計算公式如下：

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

7 最高操作壓力計算

電堆生成的大部分水需要通過空氣帶出，只有當空氣濕度處于100%以下時，空氣才能從外界持續吸收水分，所以在空氣流經整個電堆內部的過程中，需要讓空氣濕度處于非飽和狀態[4]。不同的環境空氣濕度，通過模型可以計算出允許的最大空氣側操作壓力以保證電堆生成的水能順利排出。

電堆出口的相對濕度計算公式如下：

[φ=PwPsat]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

電堆的模型參數如表1所示。

由計算結果可以發現，其他參數保持不變的情況下，環境濕度升高，允許最高操作壓力值就會降低。針對模擬的電堆參數，在環境溫度為38 ℃時當環境濕度超過70%情況下，出堆氣體濕度將會飽和，電堆可能會出現水淹情況，水淹會造成電堆不可逆地損壞。該燃料電池系統在高濕度環境運行可能出現的水淹情況，在設計之初，可根據工作環境濕度適當降低操作壓強設定值，或者在高濕度環境中根據電堆情況降低操作壓強從而避免高濕環境帶來的水淹情況。

8 結語

為了進一步提升燃料電池的性能，提高操作壓力是一種簡單有效的辦法，但是通過計算分析可以看出，操作壓力的升高能夠提升燃料電池的性能，但是會降低其在高濕度環境的排水能力，增加了水管理的難度，讓燃料電池無法在高濕度環境中正常運行。相反，降低操作壓力，燃料電池性能會下降，但是能夠提升其在高濕環境下的適應性。通過對不同環境濕度和不同操作壓強的聯合分析，可以探究通過增加操作壓強提升燃料電池性能的邊界，對高性能燃料電池設計提供了有效的參考。

參考文獻：

[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.

作者簡介：

陳鑫，男，1991年生，碩士研究生，研究方向為氫燃料電池技術。