呂晨陽，陳奔，隋巖峰

(武漢理工大學，現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北武漢430070)

　　摘要：PEMFC具有啟動快、無污染、噪音低、效率高等優(yōu)點，但它在常規(guī)溫度60℃左右工作時，容易出現(xiàn)催化劑中毒、水管理系統(tǒng)復雜等問題，通過提高燃料電池的工作溫度可以有效緩解以上難題。通過研究PEMFC在不同工作溫度下電池內(nèi)部水蒸氣的分壓變化，并結合Mirai燃料電池的運行參數(shù)，確定其最優(yōu)工作壓力在2.5個大氣壓。

　　燃料電池是直接以電化學反應方式將燃料和氧化劑的化學能轉變?yōu)殡娔艿母咝нB續(xù)發(fā)電裝置，其能量轉換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，理論效率可達90%，實際使用時是普通內(nèi)燃機的2~3倍^[1]。燃料電池的燃料具有多樣性，工作時噪音低，排放物對環(huán)境污染小，可靠性與維修性好，作為新一代汽車動力源，已被世界各大工業(yè)國視為戰(zhàn)略產(chǎn)品^[2]。常規(guī)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的工作溫度一般在60℃左右，在此溫度下工作，常出現(xiàn)催化劑中毒、水管理系統(tǒng)復雜等問題^[3-4]。提高PEMFC的工作溫度，可以有效提高電化學反應速率，增強系統(tǒng)對CO的耐受性，同時也大大簡化了PEMFC的水管理系統(tǒng)^[5]。

　　水蒸氣的飽和壓力隨溫度的升高呈指數(shù)級上升^[6]，提高電池工作溫度可以抑制電池水淹行為，提高電池性能。水管理系統(tǒng)一直是燃料電池技術的一個難題，陽極脈沖排水能有效提高氫能的利用率，延長電池的使用壽命，因而受到了國內(nèi)外諸多研究人員的青睞^[7-9]。不同的電池運行溫度對應的加濕水、生成水的狀態(tài)與水管理系統(tǒng)有很大關系^[10]，在較高的電池運行溫度下，電池的陰極生成大量的高溫飽和水蒸氣，而對這些水蒸氣進行冷凝使其成為高純度的液態(tài)水，也可以增強電池的水管理系統(tǒng)^[11]。

　　“高運行溫度”的觀點也逐步為全世界燃料電池領域的同行所采用，目前Honda、GM的燃料電池汽車的工作溫度都設定在95℃左右，Toyota推出的Mirai甚至達到105℃，如表1^[12]所示。

　　1理論分析

　　假設：(1)反應中生成水主要以氣體存在，且水蒸氣的飽和壓力只與溫度有關^[13]；(2)氣體為理想氣體。

　　2結果與討論

　　圖1給出了水蒸氣飽和壓力與工作溫度的關系，可以看出，水蒸氣的飽和壓力隨溫度的升高呈指數(shù)級上升，95℃時水蒸氣的飽和壓力是60℃的4倍多，因而提高電池工作溫度是抑制電池水淹行為、提高電池性能的最有效方法。由公式(7)可以看出，水蒸氣的分壓主要與陰極的過量系數(shù)、陰極進氣加濕度、凈水傳輸系數(shù)以及工作壓力有關。為簡化電池系統(tǒng)，設定：電堆陰極無增濕，通過電池內(nèi)水的循環(huán)實現(xiàn)自加濕^[14]。此時，Фair=0。若空氣的過量系數(shù)為2，則電池中水蒸氣的分壓與凈水傳輸系數(shù)的關系可表示為圖2。

　　可以看出，水蒸氣的分壓都隨凈水傳輸系數(shù)的增加而增大。當空氣不加濕時，溫度越高，電池內(nèi)水蒸氣越難達到飽和，為保證空氣能充分潤濕，此時需大幅提高電池的工作電壓。當電池的工作溫度提高到105℃時，需大幅提高電池的凈水傳輸系數(shù)，使得有更多的水分子從陽極擴散到陰極，因而，為實現(xiàn)水分的有效傳輸，需采用更薄的電解質(zhì)膜^[14]。另一方面，壓力越高，相同水傳輸系數(shù)下，水蒸氣的分壓越高，越容易達到飽和，實現(xiàn)電池有效加濕，但是，過高的壓力會要求提高電池的風機以及質(zhì)子交換膜的強度，通過理論分析計算得出，Mirai的燃料電池的最優(yōu)工作壓力在2.5×10⁵Pa左右(本文中的“最優(yōu)工作壓力”指的是電池內(nèi)部壓力，可以理解為生成的水蒸氣壓力，氫氣氧氣水蒸氣組成的最終的電池內(nèi)部壓力)。

　　圖3給出了氧氣的體積分數(shù)與凈水傳輸系數(shù)的關系?？梢钥闯?，凈水傳輸系數(shù)越大，氧氣的體積分數(shù)越小，氧分壓越低。根據(jù)Nerst方程，此時電池的性能將降低。主要原因是水傳輸系數(shù)的增加將導致更多的水分從陽極遷移到陰極，稀釋了氧氣的濃度。

　　3結論

　　本文通過理論分析和計算驗證研究了不同溫度下燃料電池的水蒸氣的壓力變化，結果表明：

　　(1)電池運行過程中水蒸氣的分壓主要與進氣的加濕系數(shù)、過量系數(shù)、膜中的凈水傳輸系數(shù)以及工作壓力有關，與電池的電流密度無關。

　　(2)電池陰極進氣無增濕時，電池運行溫度越高，電池內(nèi)水蒸氣越難達到飽和；為使質(zhì)子交換膜能充分潤濕，需采用較薄的電解質(zhì)薄膜，以便生成的水更好地從陽極擴散到陰極。

　　(3)選擇凈水傳輸系數(shù)要兼顧水蒸氣分壓與氧分壓的影響。較高的凈水傳輸系數(shù)雖然能實現(xiàn)水分的有效遷移，但也會降低陰極氧氣分壓，從而降低電池性能。