质子交换膜燃料电池电堆水传输机理综述

夏增刚

摘 要：质子交换膜燃料电池是一种直接将储存在H2的化学能经与O2反应转化成电能、热能和水的电化学装置。它不受卡诺循环的限制，转化效率高，可以长时间连续运行，具有运行温度低、功率密度高、响应快、启动快、稳定性好以及当使用纯氢气时不会造成环境污染等特点，是未来汽车的理想动力装置之一。合适的湿度条件是燃料电池健康高效运行的必要条件，本文针对水在燃料电池内的传输问题进行综述归纳，为燃料电池内的水传输问题建立研究基础。

关键词：质子交换膜燃料电池 水传输

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 研究背景與意义

质子交换膜燃料电池技术因具有，启动快，效率高，温度低，功率密度高，运行平稳，使用纯氢时不会造成环境污染等优点。随着环境污染与全球气候变暖问题的日益严重，其作为一种汽车动力系统解决方案而日益受到关注[1-2]。

对于车载应用，质子交换膜燃料电池系统的耐久性与可靠性的提升是最具有挑战性的问题。燃料电池电堆的正常工作的需要适中的湿度范围，所以良好水管理是提升质子交换膜燃料电池可靠性与耐久性的重要手段[3-4]。

随着燃料电池技术的发展，对于实用的车载质子交换膜燃料的电池系统，MEA普遍趋势是越来越薄，对水的传输性能更好，容易发生水淹故障。燃料电池在高电流密度下，产生更多的水且工作压力更大，气态水更容易液化，堵塞气体扩散层（GDL）与流道，阻碍反应气体传质，造成反应欠气，电堆性能下降同时损害电堆耐久性[5]。所以燃料电池水状态传输机理是燃料电池系统研究的重要问题。

2 燃料电池内部水传输

燃料电池内部的水传输机制如图1所示，主要有TOD （Thermal-osmotic drag），EOD （Electro-osmotic drag），BD（Back Diffusion）和HP（Hydraulic Permeation）[6]。

在质子交换膜燃料电池中对水传输起主要作用的是electro-osmotic drag 和 back diffusion，水传输的机制决定电解质膜的湿度，其对质子的传输非常重要[7]。

质子交换膜燃料电池工作的过程中，质子从阳极传输到阴极，同时牵引水分子同样从阳极向阴极运动，这种现象被称为EOD[8]。如果膜的湿度过高，EOD现象会导致water flooding，影响反应的效率，并造成催化剂退化。EOD现象中，水的传输速率和质子从阳极向阴极的传输速率密切相关，所以本文提出的诊断模型将电堆电流密度作为重要的模型输入[9]。Zhiping et al.在研究中发现EOD的速率和温度密切相关，当温度上升，EOD系数明显增加[10]。

在阴极产生的过量的水会因浓度梯度向阳极渗透，这种现象称为BD（Back Diffusion）[11]。BD的速率和水浓度梯度，膜的厚度、压力梯度以及温度有关[12-13]。

由于Thermal-osmotic Drag现象，水会从较冷的区域向较热的区域流动[14-15]，燃料电池系统中，氢气来自氢瓶，如堆氢气温度相对固定，模型将阴极入口温度作为模型输入，反映TOD现象。

3 质子交换膜燃料电池水的两相流

很多可视化的实验证实了液态水在流道内的积聚将经历离散小液滴（Stray droplets）、稳定的较大液滴（Stable droplets）、环状薄膜（Liquid Film）和水团（Slug）四个阶段[16]。液态水的增加会阻碍气体传质，对降低燃料电池的耐久性和经济性。

4 结语

水傳输是质子交换膜燃料电池的核心传质问题之一，和燃料电池的耐久性、可靠性提升关系密切。本文对四种重要水传输机理进行综述，并分析了两相流的4个阶段，为燃料电池水传输机理研究提供理论指导。

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