质子交换膜燃料电池增湿技术发展现状与进展

摘要：概述了质子交换膜燃料电池增湿技术研究状况，介绍了目前正在研究应用的自增湿和外增湿技术。对增湿技术的发展前景进行了探讨。 关键词：质子交换膜燃料电池；自增湿；外增湿

Status and Development of Humidification of PEMFC

XV Nannan ,LI Xuefei, LUO Ma-ji

(Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China)

Abstract: The recent research progress of humidification of proton exchange membranes fuel cells were briefly reviewed in this paper .The current research state of self- humidification and external humidification was introduced. The development foreground of humidification was also discussed Keywords: proton exchange membranes fuel cell; self- humidification; external humidification

质子交换膜燃料电池（proton exchange membranes fuel cell, PEMFC）作为一种新型的能源处理方式，具有工作温度低、无污染、无腐蚀、比功率大、启动迅速等优点，近年来成为研究的热点[1]。质子交换膜燃料电池所用电解质膜的质子导电性与膜内水含量的多少有密切关系,而且只有在充分水化的状态下才具有最佳的质子导电性，因此PEMFC的进气目前必须增湿。用于燃料电池系统的增湿方式有很多种，大致分为外增湿与自增湿两种[2]。外增湿方式增湿效果较好，但它需要附加复杂的增湿设备；内增湿技术作为一种新技术，由于简化了增湿设备，得到人们的广泛关注。

1 自增湿

自增湿质子交换膜燃料电池增湿所用水全部由燃料电池阴极生成水来提供。D.M.Bernardi[3]提出，原则上阴极生成的水足够维持电池在一定条件运行时的水化需要。自增湿就是合理分配整个电堆内的水分。目前自增湿燃料电池技术的研究主要集中在以下三个方面：

1.1自增湿薄电解质膜

PEMFC在运行时膜两侧的净水传递是由阳极流向阴极，结果导致阳极侧的电解质膜较易干涸，而阴极较易水淹。自增湿薄电解质膜的原理就是增大膜两侧水浓度梯度，从而提高水由阴极向阳极扩散的动力，加速水向阳极扩散。

Tatiana[4]以Nafion117,115,1135和112为电解质膜所做实验结果表明，薄电解质膜对温度和电流密度的变化不敏感，比较有利于改善PEMFC的水管理。Ballard公司提出的新的水管理方法称为“anode water removal(阳极排水法)”，它可以使阴极表面积聚的水分在浓度梯度的作用下通过质子交换膜到达阳极，多余的部分水分则可以借助阳极气流排出电堆。薄电解质膜制作工艺简单，电池内阻较低，但由于薄膜的机械强度较低而且会加剧膜两侧反应气的交叉扩散，所以利用这种方法并不能大幅度的提高电池性能。

詹志刚等对自增湿膜水传输进行了研究，他们发现膜越薄、电流密度越大，则膜自润湿所需时间越短，当膜厚度小于15μm,[5]

电流密度大于0.6A/cm2时，膜自润湿所需时间会急剧减少。

为了提高薄电解质膜的机械强度，Fuqiang Liu与Gore公司将PTFE作为骨架结构，与全氟磺酸聚合物复合制备电解质膜。PTFE机械性能比Nafion112膜好，这种复合膜的厚度最低可降至5 m,膜的电阻和成本都有大幅度下降。

1.2复合自增湿膜

复合自增湿膜的开发理念在于消除由于交叉扩散现象的存在而引起的效率降低。利用复合自增湿膜在消除上述不良影响的同时还可以实现膜内的增湿。Watanabe M[6]尝试在薄电解质膜中分散纳米级Pt颗粒，扩散进入电解质膜的氢与氧在Pt颗粒处化合成水。为了进一步保持水分，Watanabe M把吸水性氧化物SiO2、TiO2,或者它们的混合物掺杂在质子交换膜中，再通过N2H4还原[Pt(NH3)]Cl2在膜中沉积Pt颗粒（1-2nm）。Sang-Hee Kwak[7]认为Pt会减小电解质膜的质子导电性，并指出Pt含量为0.15mg/cm2电池性能最好。Ta-Hyun-Yang[8]认为这种向质子交换膜中掺杂Pt、Pt/C方法也有弊端，他认为在两层电解质膜之间通过真空溅射的方法引入Pt颗粒层，可以消除由于Pt微粒分布不均匀而引起的电池失效，但实验证明，这种方法所制得的膜虽然Pt分布较为均匀，但是由于膜过厚同时也引起了质子电导率的相应降低。石肇元等人[9]设计了一种方法是在膜电极催化层和扩散层之间加入水管理层（WML）,该层由聚四氟乙烯（PTFE）粘接的碳粉制成，它的作用在于：PTFE强烈的疏水性迫使部分反应水向阳极扩散，从而使质子交换膜在运行时保持一定的含水量，另外，在电池大电流工作时WML中合理的孔结构提供了更多的储水空间，可缓解饮水量过大造成的电极淹渍。