質子交換膜燃料電池電堆水傳輸機理綜述

夏增剛

摘 要：質子交換膜燃料電池是一種直接將儲存在H2的化學能經與O2反應轉化成電能、熱能和水的電化學裝置。它不受卡諾循環的限制，轉化效率高，可以長時間連續運行，具有運行溫度低、功率密度高、響應快、啟動快、穩定性好以及當使用純氫氣時不會造成環境污染等特點，是未來汽車的理想動力裝置之一。合適的濕度條件是燃料電池健康高效運行的必要條件，本文針對水在燃料電池內的傳輸問題進行綜述歸納，為燃料電池內的水傳輸問題建立研究基礎。

關鍵詞：質子交換膜燃料電池 水傳輸

Review on Water Transport Mechanism of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Stack

Xia Zenggang

Abstract：Proton exchange membrane fuel cell is an electrochemical device that directly converts the chemical energy stored in H2 into electrical energy， thermal energy and water by reacting with O2. It is not limited by Carnot cycle， has high conversion efficiency and can operate continuously for a long time. It has the characteristics of low operating temperature， high power density， fast response， fast start-up， good stability and no environmental pollution when using pure hydrogen. It is one of the ideal power devices for cars in the future. Appropriate humidity conditions are necessary for the healthy and efficient operation of fuel cells. This paper summarizes the water transport in fuel cells， and establishes a research foundation for the water transport in fuel cells.

Key words：proton exchange membrane fuel cell， water transport

1 研究背景與意義

質子交換膜燃料電池技術因具有，啟動快，效率高，溫度低，功率密度高，運行平穩，使用純氫時不會造成環境污染等優點。隨著環境污染與全球氣候變暖問題的日益嚴重，其作為一種汽車動力系統解決方案而日益受到關注[1-2]。

對于車載應用，質子交換膜燃料電池系統的耐久性與可靠性的提升是最具有挑戰性的問題。燃料電池電堆的正常工作的需要適中的濕度范圍，所以良好水管理是提升質子交換膜燃料電池可靠性與耐久性的重要手段[3-4]。

隨著燃料電池技術的發展，對于實用的車載質子交換膜燃料的電池系統，MEA普遍趨勢是越來越薄，對水的傳輸性能更好，容易發生水淹故障。燃料電池在高電流密度下，產生更多的水且工作壓力更大，氣態水更容易液化，堵塞氣體擴散層（GDL）與流道，阻礙反應氣體傳質，造成反應欠氣，電堆性能下降同時損害電堆耐久性[5]。所以燃料電池水狀態傳輸機理是燃料電池系統研究的重要問題。

2 燃料電池內部水傳輸

燃料電池內部的水傳輸機制如圖1所示，主要有TOD （Thermal-osmotic drag），EOD （Electro-osmotic drag），BD（Back Diffusion）和HP（Hydraulic Permeation）[6]。

在質子交換膜燃料電池中對水傳輸起主要作用的是electro-osmotic drag 和 back diffusion，水傳輸的機制決定電解質膜的濕度，其對質子的傳輸非常重要[7]。

質子交換膜燃料電池工作的過程中，質子從陽極傳輸到陰極，同時牽引水分子同樣從陽極向陰極運動，這種現象被稱為EOD[8]。如果膜的濕度過高，EOD現象會導致water flooding，影響反應的效率，并造成催化劑退化。EOD現象中，水的傳輸速率和質子從陽極向陰極的傳輸速率密切相關，所以本文提出的診斷模型將電堆電流密度作為重要的模型輸入[9]。Zhiping et al.在研究中發現EOD的速率和溫度密切相關，當溫度上升，EOD系數明顯增加[10]。

在陰極產生的過量的水會因濃度梯度向陽極滲透，這種現象稱為BD（Back Diffusion）[11]。BD的速率和水濃度梯度，膜的厚度、壓力梯度以及溫度有關[12-13]。

由于Thermal-osmotic Drag現象，水會從較冷的區域向較熱的區域流動[14-15]，燃料電池系統中，氫氣來自氫瓶，如堆氫氣溫度相對固定，模型將陰極入口溫度作為模型輸入，反映TOD現象。

3 質子交換膜燃料電池水的兩相流

很多可視化的實驗證實了液態水在流道內的積聚將經歷離散小液滴（Stray droplets）、穩定的較大液滴（Stable droplets）、環狀薄膜（Liquid Film）和水團（Slug）四個階段[16]。液態水的增加會阻礙氣體傳質，對降低燃料電池的耐久性和經濟性。

4 結語

水傳輸是質子交換膜燃料電池的核心傳質問題之一，和燃料電池的耐久性、可靠性提升關系密切。本文對四種重要水傳輸機理進行綜述，并分析了兩相流的4個階段，為燃料電池水傳輸機理研究提供理論指導。

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