燃料电池的水管理与热管理

1.水管理的意义

膜电极是PEMFC的核心部件之一,对电池的输出功率、能量密度及工作寿命有着决定性的影响。提高膜电极性能的关键是在催化粒子的周围形成良好的质子、电子和气体通道,使膜具有一定的含水量,以保证质子的传导性。否则膜会脱水皱缩,甚至破裂,而严重阻碍质子传导;同时水也不能太多,膜的含水量过多,会造成阴极水淹没。水堵塞了氧气的通路,会使电池性能大大下降。可见,对PEMFC内部的水进行有效管理是非常重要的。

2.PEMFC内部水平衡的影响因素

膜电极中的水含量取决于膜的水平衡,水分子在膜中的分布受以下因素的影响:

(1)电渗力的拖动作用。质子从阳极迁移到阴极时,会携带一部分水分子,以水合质子的形式到达阴极。电池的工作电流越大,带过去的水就越多。

(2)电池工作时,还原反应在阴极生成水,生成水的多少与电流大小成正比。

(3)由于氢气和氧气供进来是要加湿的,会带进来水分。

(4)阴极向阳极的反扩散作用。由于以上(1)(2)条原因,膜电极的阴极侧水含量大于阳极侧时,阴极侧的水会向阳极侧扩散。

3.燃料电池水管理的方法

通常采用调节氢气和氧气湿度、改进电池构造、改建膜电极结构、优化电池内部传导过程、改进流场分布、强化传导等方法,实施有效的水管理。

(1)调节反应气的湿度。

调节反应气的湿度是最常用的方法。反应气体的增湿有两种方法:外增湿方法和内增湿方法。

外增湿法是指反应气体在进入燃料电池系统前,先通过外部附加装置进行加湿。通常所应用的外部增湿技术有升温增湿、蒸汽注射增湿、循环增湿和直接液态水注射增湿四种。外部增湿技术适用于低气流流量的燃料电池,对于功率大的燃料电池,由于所需的气流量大,不能运用这种技术。

内增湿法是指采用渗透膜的方式对反应气体进行加湿,即膜的一侧通入热水,另一侧通入将要被增湿的气体,利用膜的阻气特性和水在膜内的浓差扩散效应实现对气体的增湿。还有一种内增湿法是采用新型的双极板,置于阴阳两极的两侧,利用反应气体的压力所构成的势能,进行加湿。内增湿法是利用电池反应本身生成的热量来加热水的,不必单独设置加热装置,减少了系统的外部辅助设备。

(2)改进电池的内部结构。

通过改进电池的内部结构进行增湿的技术主要集中在新型极板的设计和膜电极结构的优化两方面。

目前新型结构极板设计在两个方向进行。一是采用多孔的炭极板代替传统的刻有导流槽的极板。这种炭极板具有很高的孔隙率,分布着很多微孔,反应生成的水可以留在微孔内,用于质子交换膜的增湿;二是采用封闭式流道,反应气体靠强制性对流到达催化层,流道中的水分渗透到膜电极中,用于膜的加湿。

膜电极结构的优化目前在两个方向进行。一是采用较薄的膜,以减少阴极侧向阳极侧水分子扩散的距离,增加扩散的水量。二是设计自增湿膜,比如将纳米级的Pt微粒散布在质子交换膜中,使从催化层漏到膜中的氢气和氧气在膜中生成水,对膜进行加湿。

4.燃料电池的热管理

燃料电池中有40%～50%的能量耗散是以热能的形式表现出来的。热能使电池温度升高,如果不加以管理,温度过高,会使电解质膜脱水、收缩甚至破裂。

(1)燃料电池中的热量来源主要有四个,分别是

①化学反应产生的热量;

②欧姆极化产生的焦耳热量;

③加湿气体带来的热量;

④吸收环境辐射的热量。

其中,化学反应产生的热量占转化化学能的60%左右,是热量的主要来源。

(2)对于这些热量通常分几种情况,分别采取不同的处理方式。

①自然冷却:对于功率在200W以下的燃料电池,利用供给阴极的空气来散热,一般不需要进行专门的热设计。

②风冷:对于功率在250W～2.5k W的燃料电池,也可以采用利用空气散热的方式,但是,双极板上必须要设计有专用的风冷通道。

③水冷:对于功率在2.5k W以上的燃料电池,一般都采用水冷方式散热。

无论是风冷还是水冷,都应该是具有强制循环功能的系统,只有这样,才能达到有效散热的目的。