PEM燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行的工作條件分析

張選高，王曉晨

PEM燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行的工作條件分析

張選高1，王曉晨2

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢市氫燃料電池工程技術(shù)研究中心，武漢 430064）

質(zhì)子交換膜燃料電池持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的理想工作條件是保持質(zhì)子交換膜聚合物電解質(zhì)的充分水合，陰極與陽極多余的水分及時(shí)的排出，保持電化學(xué)反應(yīng)的水熱平衡，本文對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的水熱平衡進(jìn)行了分析計(jì)算，提出通過選取燃料電池的最佳工作條件參數(shù)保障燃料電池的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。表明通過溫度、壓力、濕度、過量系數(shù)的選取，可確定燃料電池的最佳工作狀態(tài)。

質(zhì)子交換膜燃料電池 穩(wěn)定運(yùn)行 水熱平衡 工作條件 分析與計(jì)算

0 引言

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEM燃料電池）具有發(fā)電效率高、零排放、安靜、低溫運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，是公認(rèn)的一種具有廣泛發(fā)展前景的清潔能源裝置。世界很多組織機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了深入研究，經(jīng)過多年的發(fā)展，取得了突破性進(jìn)展。

PEM燃料電池的燃料是氫氣，氧化劑是氧氣，電解質(zhì)是質(zhì)子交換膜聚合物。PEM燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物是水，水進(jìn)入聚合物電解質(zhì)會(huì)提高其質(zhì)子傳導(dǎo)性，但過高的水分含量又會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)被淹沒，并導(dǎo)致氣體通向催化層的通道被水堵塞。此外PEM燃料電池工作過程中會(huì)有50%左右的廢熱產(chǎn)生，如果未及時(shí)排出廢熱會(huì)導(dǎo)致聚合物電解質(zhì)溫度高溫脫水。

PEM燃料電池的理想的工作條件是生成的水滿足電解質(zhì)的正常水化要求，多余的水被過量的反應(yīng)氣體帶出，同時(shí)產(chǎn)生的廢熱通過熱交換達(dá)到平衡，使電化學(xué)反應(yīng)的溫度維持在適宜的范圍內(nèi)。水與熱的平衡是PEM燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。

國內(nèi)外對(duì)PEM燃料電池的穩(wěn)定運(yùn)行條件進(jìn)行深入的研究。分析了燃料電池的工作條件對(duì)電性能的影響，并給出了近似的關(guān)系方程[1]。國內(nèi)對(duì)PEM燃料電池的水熱平衡管理進(jìn)行的研究，分析了氣體通道和擴(kuò)散層中的流場對(duì)水的傳遞的影響，和重力對(duì)液態(tài)排水的影響[2][3]。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所提出了液體蒸發(fā)冷卻排出廢熱的方法，并申請(qǐng)了專利[4]。本文從PEM燃料電池的工作條件入手，提出了通過選取燃料電池的最佳工作條件參數(shù)，維持PEM燃料電池的水熱平衡，從而保障燃料電池的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 PEM燃料電池的工作條件

燃料電池工作條件包括溫度、壓力、濕度、過量系數(shù)、反應(yīng)氣濃度等。由于空氣是最容易獲得、最廉價(jià)的氧化劑，燃料電池的陰極反應(yīng)氣一般是空氣，陽極反應(yīng)氣一般是純氫氣。溫度、壓力、濕度、過量系數(shù)是方便可控的操作條件，本文主要討論溫度、壓力、濕度、過量系數(shù)對(duì)電堆穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

2 PEM燃料電池的工作條件與水平衡

2.1 PEM燃料電池的工作條件與水的遷移

PEM燃料電池電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在質(zhì)子交換膜的兩側(cè)。氫氣在陽極的鉑催化劑的作用下，電離成質(zhì)子和電子，電子通過外電路流向陰極，質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜聚合物電解質(zhì)進(jìn)入陰極，與陰極的氧及外電路流過來的電子結(jié)合生產(chǎn)水。PEM燃料電池電化學(xué)反應(yīng)過程原理見圖1。

圖1 PEM燃料電池工作原理

PEM燃料電池的產(chǎn)物水在陰極生成。產(chǎn)物水的遷移有以下3種：

1）隨陰極過量的反應(yīng)氣排出燃料電池。2）進(jìn)入質(zhì)子交換膜聚合物電解質(zhì)。聚合膜電解質(zhì)的質(zhì)子導(dǎo)電性與水含量正相關(guān)。3）穿透聚合膜，進(jìn)入陽極。這部分從陰極到陽極的凈通量，最后通過陽極過量反應(yīng)氣帶出燃料電池。

PEM燃料電池水的合理平衡最重要的是保持質(zhì)子交換膜聚合物電解質(zhì)的充分水合，以及陰極與陽極多余的水分及時(shí)的排出。

工作條件參數(shù)對(duì)PEM燃料電池的排水性能具有極其重要的影響?？梢酝ㄟ^選取最佳的溫度、壓力、濕度、過量系數(shù)，控制燃料電池氣態(tài)與液態(tài)排水的比例，使陰極與陽極存在少量的液態(tài)水，可既保持質(zhì)子交換膜處于良好的水合狀態(tài)，又避免水淹。

2.2 PEM燃料電池的工作條件對(duì)氣態(tài)與液態(tài)排水比例的影響

PEM燃料電池電化學(xué)反應(yīng)生成水，在氣態(tài)下較容易隨過量的反應(yīng)氣帶出，而液態(tài)水具有吸附作用較難排出。PEM燃料電池的工作條件對(duì)排水性能的影響，主要體現(xiàn)在對(duì)氣態(tài)與液態(tài)排水比例的影響。溫度、壓力影響反應(yīng)氣及尾氣的飽和含水量，過量系數(shù)決定氣體吹掃的速度，以及吸納水蒸氣的總量。此外高溫下過量反應(yīng)氣的吹掃對(duì)兩極有干燥作用。下文將對(duì)工作條件對(duì)氣態(tài)與液態(tài)排水比例的影響進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2.1陽極氣態(tài)與液態(tài)排水比例的計(jì)算

生成水的質(zhì)量：

S：氫氣的過量系數(shù)；：氫氣相對(duì)濕度；P：工作溫度下飽和水蒸汽分壓；:工作壓力；r：水從氧側(cè)向氫側(cè)遷移的凈通量

陽極尾氣飽和水蒸汽的含水質(zhì)量：

陽極氣態(tài)排水份額：

2.2.2陽極氣態(tài)與液態(tài)排水比例的計(jì)算

極尾氣中的含水量：

極尾氣飽和水蒸汽的含水量：

陰極尾排中含液態(tài)水的條件：

陰極氣態(tài)排水份額：

3 PEM燃料電池的工作條件與熱平衡

燃料電池產(chǎn)生的廢熱需要通過冷卻液帶走，為保證電池組溫度分布的均勻性，進(jìn)出口冷卻液溫差不超10℃。保持冷卻液溫差小需要增大冷卻液流量，這會(huì)導(dǎo)致輔機(jī)功耗加大。一般溫差控制在5~10℃，較為經(jīng)濟(jì)合理。此外燃料電池的廢熱對(duì)反應(yīng)氣加熱，并將生成水汽化，起到增濕作用，應(yīng)考慮反應(yīng)氣溫升及生成水汽化所帶走的熱量。下文將對(duì)維持電化學(xué)反應(yīng)熱平衡的工作條件進(jìn)行分析計(jì)算。

陽極側(cè)尾氣中的水蒸氣的質(zhì)量含量為：

水蒸氣質(zhì)量為：

陽極反應(yīng)氣溫升與水汽化所需要的熱量：

陰極側(cè)尾氣中的水蒸氣的質(zhì)量含量為：

其中：陰極進(jìn)口反應(yīng)氣中的水蒸汽的質(zhì)量含量為：

則汽化的水的質(zhì)量為：

陰極反應(yīng)氣溫升與水汽化所需要的熱量：

4 PEM燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行的最佳工作條件分析

燃料電池出口處因溫度升高以及流場阻力引起的壓力下降，會(huì)導(dǎo)致出口處的質(zhì)子交換膜加速脫水。保持兩極少量液態(tài)水的積聚，可以防止質(zhì)子交換膜的脫水，提高膜的水合狀態(tài)。但過多的液態(tài)水的積聚就會(huì)堵塞氣體擴(kuò)散層，阻礙反應(yīng)氣到達(dá)催化層和質(zhì)子交換膜，增加濃差極化，影響燃料電池的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。氣態(tài)水通常是容易隨過量的反應(yīng)氣帶出，而液態(tài)水具有吸附作用較難排出。通常是通過適宜流場結(jié)構(gòu)，使反應(yīng)氣體具有一定的流速，將液態(tài)水吹掃帶出。在選擇電池的運(yùn)行條件時(shí)，應(yīng)盡可能使絕大部分排水份額為氣態(tài)排水，同時(shí)保持小部分的液態(tài)排水。綜合考慮，控制陰極氣態(tài)排水份額在80%~90%之間為優(yōu)[4]。

PEM燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行的最佳工作條件應(yīng)綜合考慮。既要提高排水性能，以利于電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，還應(yīng)保持系統(tǒng)高效。

4.1 工作條件與排水性能的分析

以某型氫空燃料電池為例，初步選定一組工作條件參數(shù)，在此基礎(chǔ)上逐步改變某一項(xiàng)參數(shù)，分析其對(duì)燃料電池排水性能的影響，通過迭代選取最佳的溫度、壓力、濕度、過量系數(shù)。根據(jù)2.2節(jié)的公式，分析工作條件參數(shù)與氣體排水份額關(guān)系曲線圖，如圖2-9所示。

圖2 工作壓力與陽極氣態(tài)排水份額

圖3 工作壓力與陰極氣態(tài)排水份額

其中圖2、圖3是工作壓力與氣態(tài)排水份額關(guān)系曲線圖，圖4、圖5是工作溫度與氣態(tài)排水份額關(guān)系曲線圖，圖6、圖7是反應(yīng)氣濕度與氣態(tài)排水份額關(guān)系曲線圖，圖8、圖9是反應(yīng)氣過量系數(shù)與氣態(tài)排水份額關(guān)系曲線圖。

圖4 工作溫度與陽極氣態(tài)排水份額

圖5 工作溫度與陰極氣態(tài)排水份額

圖6 氫氣濕度與陽極氣態(tài)排水份額

圖7 空氣濕度與陰極氣態(tài)排水份額

由上述工作條件參數(shù)與氣態(tài)排水份額關(guān)系曲線圖可知，工作壓力越高，氣態(tài)排水份額越低。工作溫度越高，氣態(tài)排水份額越高。反應(yīng)氣濕度越高，氣態(tài)排水份額越低。過量系數(shù)越大，氣態(tài)排水份額越高。

表1是根據(jù)上述工作條件參數(shù)與氣態(tài)排水份額關(guān)系曲線圖得出的最佳工作條件參數(shù)，陽極、陰極氣態(tài)排水份額均在80%~90%之間，電堆具有最佳排水性能。

圖8 氫氣過量系數(shù)與陽極氣態(tài)排水份額

圖9 空氣過量系數(shù)與陰極氣態(tài)排水份額

表1 工作條件參數(shù)表

4.2 最佳工作條件的綜合分析

燃料電池的工作溫度越高，電化學(xué)反應(yīng)速率越高。但過高的溫度會(huì)造成質(zhì)子交換膜脫水，影響膜的質(zhì)子傳導(dǎo)能力。燃料電池的工作溫度一般小于80℃。

燃料電池的工作壓力越高，越有利于反應(yīng)氣體的傳輸。但流量不變的情況下，氣體壓力越高，流速越低，越不利于液態(tài)水的吹掃排出。此外，空氣壓力的提高，會(huì)造成空壓機(jī)功耗的增加。

反應(yīng)氣過量系數(shù)越大，氣體流量越大，吹掃速度就越高，排水越充分。但過量系數(shù)不宜過高，否則將會(huì)造電堆過于干燥，并增加輔機(jī)功耗，降低系統(tǒng)效率。

對(duì)反應(yīng)氣增濕可有效的防止質(zhì)子交換膜過于干燥。但濕度不宜過高，否則容易造成燃料電池被水淹，并且過高濕度對(duì)增濕器等輔助設(shè)備要求將大幅提高，實(shí)現(xiàn)成本高。

可根據(jù)燃料電池合理的氣體排水份額區(qū)間及工作條件參數(shù)與氣體排水份額關(guān)系曲線，確定排水性能最佳的工作條件參數(shù)，再綜合考慮電堆結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、輔助設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)，確定燃料電池最佳的工作條件。

5 總結(jié)

PEM燃料電池水的合理平衡最重要的是保持質(zhì)子交換膜聚合物電解質(zhì)的充分水合，以及陰極與陽極多余的水分及時(shí)排出。電化學(xué)反應(yīng)的水熱平衡是PEM燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。

通過選取最佳的溫度、壓力、濕度、過量系數(shù)，控制燃料電池氣態(tài)與排水比例，使陰極與陽極存在少量的水，可既保持質(zhì)子交換膜處于良好的水合狀態(tài)，又避免水淹。

在選擇PEM燃料電池工作條件的同時(shí)，需要綜合考慮電堆結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、電化學(xué)反應(yīng)效率、輔助設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)等，確定最佳的工作條件。

[1] 弗朗諾· 巴爾伯. PEM燃料電池:理論與實(shí)踐[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 2016.

[2] 吳玉厚, 陳士忠. 質(zhì)子交換膜燃料電池的水管理研究[M]. 科學(xué)出版社, 2011.

[3] Chen S Z, Wu Y H. Gravity effect on water discharged in PEM fuel cell cathode. Internatinonal Journal of Hydrogen Energy, 2009.

[4] 衣寶廉. 燃料電池—原理·技術(shù)·應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[5] 葛善海, 衣寶廉, 徐洪峰. 質(zhì)子交換膜燃料電池水傳遞模型[J]. 化工學(xué)報(bào), 1999, 50(1): 39-48.

Analysis of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Operating Conditions for Stable Working

Zhang Xuangao1, Wang Xiaochen2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Hydrogen Fuel Cell Engineering Research Center, Wuhan 430064, China)

TM911.4

A

1003-4862（2019）11-0043-05

2019-05-15

科技部2017“新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)”（2017YFB103000）

張選高（1987-），男，工程師。研究方向：燃料電池系統(tǒng)。E-mail: high1108@163.com