高濕度環(huán)境對高性能燃料電池系統(tǒng)設(shè)計的影響

陳鑫 孟令宇

摘要：質(zhì)子交換膜燃料電池對膜的干濕情況及電堆內(nèi)部液態(tài)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(nèi)部過多的液態(tài)水會對電堆造成不可逆地?fù)p傷，而我國地域廣闊，不同地區(qū)間環(huán)境濕度情況大不相同，巨大的環(huán)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(tǒng)，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(huán)境濕度出發(fā)，研究較高環(huán)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(shù)進(jìn)行匹配性仿真計算，給出針對性的燃料電池系統(tǒng)設(shè)計建議。

關(guān)鍵詞：燃料電池；水管理；環(huán)境濕度；壓強(qiáng)

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(xué)方式發(fā)電的新能源發(fā)電設(shè)備。燃料電池發(fā)電所需的氫氣可通過可再生能源進(jìn)行制備，發(fā)電唯一的副產(chǎn)物是純水，從燃料的來源端及發(fā)電產(chǎn)生的廢棄物來看，氫燃料電池可以說是一種十分清潔的發(fā)電設(shè)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(guī)模生產(chǎn)。種種優(yōu)勢，使得氫燃料電池受到了來自國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。

2 國內(nèi)燃料電池發(fā)展情況

氫燃料電池總類較多，有質(zhì)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(tài)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(nèi)發(fā)展較早且產(chǎn)業(yè)鏈比較完整的是質(zhì)子交換膜燃料電池。質(zhì)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(yīng)用有一定優(yōu)勢，因此在國內(nèi)氫能發(fā)展的現(xiàn)階段，質(zhì)子交換膜燃料電池能夠脫穎而出進(jìn)行一定的推廣。目前來看，相較其他類型燃料電池，國內(nèi)質(zhì)子交換膜氫燃料電池的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈更為成熟完整，并且國內(nèi)的質(zhì)子交換膜燃料電池已經(jīng)基本擺脫了對國外供應(yīng)商的依賴，能夠自給自足批量地進(jìn)行生產(chǎn)。

氫燃料電池目前主要的應(yīng)用場景是車載發(fā)電，從最開始裝備在車上的30 kW氫燃料電池系統(tǒng)到目前主流的120 kW系統(tǒng)，按照“乘鋰商氫”的策略，氫燃料電池系統(tǒng)逐步朝著大功率、高能量密度的方向發(fā)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(tǒng)功率的進(jìn)一步要求，系統(tǒng)廠商在逐步開展大功率及高功率密度燃料電池系統(tǒng)的開發(fā)。為了達(dá)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(xiàn)，比如增加膜電極的有效反應(yīng)面積、增加單電池片數(shù)、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(yīng)物分配均勻性、生成水排出及時性、材料機(jī)械性能等因素影響，膜電極的反應(yīng)面積增大空間有限，燃料電池電堆的單電池數(shù)量繼續(xù)增加難度增大，膜電極和雙極板的厚度很難持續(xù)減薄，按照目前的技術(shù)水平，從這三個方面基本無法繼續(xù)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(yōu)化三相界面結(jié)構(gòu)、提升反應(yīng)接觸面積、提高反應(yīng)物壓強(qiáng)、提高反應(yīng)溫度等方面入手[1]。其中在氫燃料電池電堆的設(shè)計層面，提升功率密度比較好的手段是提高反應(yīng)物的壓強(qiáng)。其他條件不變的情況下，提升反應(yīng)氫氣和空氣的壓強(qiáng)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(dá)到提升氫燃料電池電堆輸出功率的目的。氫燃料電池系統(tǒng)的空氣側(cè)操作壓強(qiáng)從示范運行早期的60 kPa上升到如今的150 kPa左右，操作壓強(qiáng)的提升是很明顯的。

操作壓強(qiáng)對電流密度的提升起到的作用，可以通過理論計算進(jìn)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(qiáng)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(zhuǎn)化成能斯特公式：

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

因為反應(yīng)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(yīng)時候的壓強(qiáng)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(jié)構(gòu)需要針對反應(yīng)物壓力升高進(jìn)行加強(qiáng)、壓強(qiáng)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(jìn)行研究，結(jié)合環(huán)境濕度的實際情況給出操作壓力的相關(guān)設(shè)計參考建議。

4 燃料電池水管理

燃料電池中質(zhì)子交換膜的濕潤性直接影響膜的導(dǎo)電性，較干的膜的離子導(dǎo)電性不如濕潤膜的離子導(dǎo)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(yīng)生成的水，其他的水來源于反應(yīng)氣體如陰極側(cè)空氣中的水，陽極側(cè)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(cè)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(cè)出堆的反應(yīng)氣體以水蒸氣的形式帶出電堆，小部分是通過液態(tài)水的形式從陽極或者陰極側(cè)排氣排水口遷出。在電堆的正常工況下，電堆內(nèi)部出現(xiàn)的液態(tài)水會嚴(yán)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(tài)水會堵塞流道，MEA中的液態(tài)水也會影響氣體傳輸，使電堆局部缺乏反應(yīng)氣體，導(dǎo)致反極、催化劑團(tuán)聚甚至膜的穿孔[1]。為了防止液態(tài)水的產(chǎn)生，在燃料電池系統(tǒng)層面需要確保反應(yīng)氣體在電堆內(nèi)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(yīng)氣體從電堆入口到電堆出口會持續(xù)帶走電堆中反應(yīng)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(yīng)氣體在電堆各個區(qū)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(huán)境空氣水含量計算

燃料電池反應(yīng)出口空氣中的水主要來源于環(huán)境空氣和電化學(xué)反應(yīng)生成的水。其中，對于環(huán)境中空氣所含水分，為方便計算可將水在空氣中的含量轉(zhuǎn)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(xué)反應(yīng)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(dāng)空氣濕度處于100%以下時，空氣才能從外界持續(xù)吸收水分，所以在空氣流經(jīng)整個電堆內(nèi)部的過程中，需要讓空氣濕度處于非飽和狀態(tài)[4]。不同的環(huán)境空氣濕度，通過模型可以計算出允許的最大空氣側(cè)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(shù)如表1所示。

由計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，其他參數(shù)保持不變的情況下，環(huán)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(shù)，在環(huán)境溫度為38 ℃時當(dāng)環(huán)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(xiàn)水淹情況，水淹會造成電堆不可逆地?fù)p壞。該燃料電池系統(tǒng)在高濕度環(huán)境運行可能出現(xiàn)的水淹情況，在設(shè)計之初，可根據(jù)工作環(huán)境濕度適當(dāng)降低操作壓強(qiáng)設(shè)定值，或者在高濕度環(huán)境中根據(jù)電堆情況降低操作壓強(qiáng)從而避免高濕環(huán)境帶來的水淹情況。

8 結(jié)語

為了進(jìn)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(huán)境的排水能力，增加了水管理的難度，讓燃料電池?zé)o法在高濕度環(huán)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(huán)境下的適應(yīng)性。通過對不同環(huán)境濕度和不同操作壓強(qiáng)的聯(lián)合分析，可以探究通過增加操作壓強(qiáng)提升燃料電池性能的邊界，對高性能燃料電池設(shè)計提供了有效的參考。

參考文獻(xiàn)：

[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(shù)。