六個(gè)方面對燃料電池增濕器進(jìn)行分析介紹

燃料電池電堆在反應(yīng)過程中，質(zhì)子交換膜需維持一定的濕度以保證較高的反應(yīng)效率，因此要求反應(yīng)介質(zhì)需攜帶一定量的水蒸氣進(jìn)入電堆，這一步通常需通過增濕器來實(shí)現(xiàn)。本文從氫燃料電池原理、水傳遞的基本原理、加濕器選型及應(yīng)用要求、加濕器型號(hào)及參數(shù)、膜材料及中空纖維管結(jié)構(gòu)、內(nèi)增濕技術(shù)六個(gè)方面對燃料電池增濕器進(jìn)行分析介紹。
一、氫燃料電池原理 H2以氣體狀態(tài)經(jīng)過陽極碳纖維擴(kuò)散層，在催化層分離為H質(zhì)子和電子，H質(zhì)子（以H3O+狀態(tài)）通過質(zhì)子交換膜，在陰極催化層與O離子結(jié)合生成水。 理論上，質(zhì)子交換膜只能通過質(zhì)子，膜材料上有很多磺酸根，只有在濕潤的情況下才能有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率。一般情況下陽極氫氣和陰極空氣都必須加濕，在陰極側(cè)反應(yīng)生成水，在兩側(cè)水濃度梯度差下，水會(huì)經(jīng)過膜遷移到另一側(cè)。

二、水傳遞的基本原理1、水傳遞原理電遷移：氫在傳導(dǎo)過程中通常不以裸露原子核狀態(tài)存在，而是通過氫鍵和水分子形成水合氫離子狀態(tài)遷移，導(dǎo)致水分子隨質(zhì) 子從陽極向陰極遷移 ，電遷 移的水量與電流密度和質(zhì)子水合數(shù)有關(guān) ； 反擴(kuò)散：水在陰極形成 ，在膜兩側(cè)的水濃度梯度推動(dòng)下 ，水由陰極向陽極傳遞 ，其水量正比于水的濃度梯度和膜內(nèi)水的擴(kuò)散系數(shù) ，反比于膜的厚度。 壓差遷移：在膜兩側(cè)壓力差推動(dòng)下，水從高壓側(cè)向低壓側(cè)流動(dòng) ，其水量正 比于壓力梯度和水在膜中的滲透系數(shù)，反比于水在膜中的黏度。影響很小。

2、水含量是如何影響質(zhì)子交換膜的性能的？ A、陰極空氣濕度：空氣相對濕度增大，導(dǎo)致反應(yīng)界面生成水向陰極擴(kuò)散層-流道界面遷移受到抑制，從而促進(jìn)水向陽極側(cè)遷移。 B、陰極空氣露點(diǎn)溫度：空氣露點(diǎn)溫度升高，反應(yīng)生成水向陽極遷移，提高了膜內(nèi)水含量，增強(qiáng)了膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率，使電池輸出電勢升高。空氣露點(diǎn)溫度過高，則陰極絕對水量太多，無法以氣態(tài)形式帶走，導(dǎo)致水淹。同時(shí)，氧氣濃度降低，反應(yīng)速率降低；傳質(zhì)阻力增加，膜歐姆電阻增加，電池性能降低。 C、電堆溫度：電堆溫度升高，水蒸氣飽和壓力增大，促進(jìn)陽極擴(kuò)散層內(nèi)水分蒸發(fā)，促進(jìn)水的濃差遷移，膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率提高，電堆性能提升。 D、Crossover效應(yīng)：電極在相對干燥的反應(yīng) 條件下，會(huì)加速膜電解質(zhì)的降解速度，從而導(dǎo)致膜的破損，使氣體向另一個(gè) 電極側(cè)滲透 。 E、膜金屬離子效應(yīng)和催化劑中毒：水分過多會(huì)增加雜質(zhì)對 MEA污染的機(jī)會(huì)，來自環(huán)境中的金屬離子、CO、S等有害組分以及電池中產(chǎn)生金屬離子等會(huì)隨著過量的水分?jǐn)U散到電極表面和膜中，導(dǎo)致膜的金屬離子和催化劑中毒等。 三、加濕器選型及應(yīng)用要求 加濕器選型主要考慮其露點(diǎn)接近溫度、流阻、耐溫耐壓、最大跨膜壓差等。 1、電堆性能及可靠性對水含量的需求 通過測試電堆在不同空氣濕度（含水量）下對電堆輸出功率的影響，確定最佳進(jìn)堆空氣濕度；同時(shí)也要考慮不同含水量情況下對電堆壽命的影響。 2、加濕器露點(diǎn)接近溫度作為評估其加濕能力的原因 燃料電池用加濕器為氣氣加濕型，通常通過給定濕側(cè)接近飽和的濕氣體（濕側(cè)的初露點(diǎn)），看能把干空氣加濕到什么程度（干側(cè)終露點(diǎn)）。定義濕側(cè)初露點(diǎn)與干側(cè)終露點(diǎn)之差為露點(diǎn)接近溫度，基本可以評估加濕器的加濕性能。也可以通過膜水傳遞率g/(min.cm2）來評估。

3、允許介質(zhì)溫度及跨膜壓差：膜材料和膜結(jié)構(gòu) 一般膜材料的耐溫都在100℃以上。在DOE要求中跨膜壓差需＞75kpa，無支撐超薄中空纖維管要達(dá)到這個(gè)水平有一定難度。

4、可靠性：性能、泄露 一般可靠性性測試，可以對比耐久前后露點(diǎn)接近溫度；也可以通過氣泡法判斷膜破損率。 四、加濕器型號(hào)及參數(shù) （1）博純，杜邦獨(dú)家授權(quán)Nafion中空纖維管； （2）KOLON，聚砜均質(zhì)中空纖維管； （3）NOK，聚苯砜中空纖維膜，納米孔隙； （4）Dpoint，采用夾層復(fù)合平板膜Gore+PFSA。

五、膜材料及中空纖維管結(jié)構(gòu)1、聚砜系列、聚酰亞胺、含氟磺酸膜 聚砜具有優(yōu)良的機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性，耐熱性好，耐生物降解，內(nèi)孔隙率高且微孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，常用作氣體分離膜的基材。但是屬于疏水性膜材料。 聚砜、聚醚砜、聚苯砜，具有接近的性能，要應(yīng)用在燃料電池上，一般可通過黃花處理提高其親水性。

聚酰亞胺具有高透氣性、選擇性、良好的耐熱能力，機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性、耐溶劑性好，可制成具有高滲透系數(shù)的自支撐不對稱中空纖維膜。親水性差，需要磺化處理。 聚酰亞胺也作為一種未來有很好前景的質(zhì)子交換膜在被大量研究。

全氟磺酸 PFSA作為質(zhì)子交換膜，具有水在濃差下傳遞的功能，也可以作為增濕器的膜。含氟系列膜還包括，戈?duì)柕膃PTFE膨體聚四氟乙烯、巴拉德的BAM3G部分氟化質(zhì)子交換膜。價(jià)格太貴了。 2、聚砜系列、聚酰亞胺、含氟磺酸膜 中空纖維管膜主要分為多孔膜、表皮膜、均質(zhì)膜，根據(jù)其特點(diǎn)制成超濾膜、正/反滲透膜、氣體分離膜、血透膜等。中空纖維管膜的特點(diǎn)是相同體積下表面積大。

中空纖維管制備工藝主要分為溶液紡絲法和熔融紡絲法。溶液紡絲法需要致孔劑在膜上產(chǎn)生微孔，且一般孔徑稍大，較常用；熔融紡絲法，通過拉伸產(chǎn)生微孔，技術(shù)要求高。

平板膜，通過中心很薄的PFSA夾層和兩側(cè)的多空層復(fù)合而成。表面積相對小。

六、內(nèi)增濕技術(shù) 增濕的核心問題是水管理。豐田通過溫度控制和陽極水循環(huán)做到了不需要外部增濕器，內(nèi)增濕對電堆要求也高，對控制策略要求更高。另外也有如在集流端板上通過多孔碳板進(jìn)行水交換，通過電堆中間增加類似單堆的模組進(jìn)行水交換。

審核編輯 ：李倩