氫燃料電池之肺泡-增濕器有啥用？

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1、氫燃料電池原理

H2以氣體狀態經過陽極碳纖維擴散層，在催化層分離為H質子和電子，H質子（以H3O+狀態）通過質子交換膜，在陰極催化層與O離子結合生成水。

理論上，質子交換膜只能通過質子，膜材料上有很多磺酸根，只有在濕潤的情況下才能有較高的質子傳導率。一般情況下陽極氫氣和陰極空氣都必須加濕，在陰極側反應生成水，在兩側水濃度梯度差下，水會經過膜遷移到另一側。

2、水傳遞的基本原理

（1）水傳遞原理

電遷移：氫在傳導過程中通常不以裸露原子核狀態存在，而是通過氫鍵和水分子形成水合氫離子狀態遷移，導致水分子隨質 子從陽極向陰極遷移 ，電遷 移的水量與電流密度和質子水合數有關 ；

反擴散 ：水在陰極形成 ，在膜兩側的水濃度悌度推動下 ，水由陰極向陽極傳遞 ，其水量正比于水的濃度梯度和膜內水的擴散系數 ，反比于膜的厚度。

壓差遷移：在膜兩側壓力差推動下，水從高壓側向低壓側流動 ，其 水量正 比于壓力梯度和水在 膜 中的滲透系數，反比于水在 膜中的黏度。影響很小。

（2）水含量是如何影響質子交換膜的性能的？

A、 陰極空氣濕度：空氣相對濕度增大，導致反應界面生成水向陰極擴散層-流道界面遷移受到抑制，從而促進水向陽極側遷移。

B、陰極空氣露點溫度：空氣露點溫度升高，反應生成水向陽極遷移，提高了膜內水含量，增強了膜的質子傳導率，使電池輸出電勢升高。 空氣露點溫度過高，則陰極絕對水量太多，無法以氣態形式帶走，導致水淹。同時，氧氣濃度降低，反應速率降低；傳質阻力增加，膜歐姆電阻增加，電池性能降低。

C、電堆溫度：電堆溫度升高，水蒸氣飽和壓力增大，促進陽極擴散層內水分蒸發，促進水的濃差遷移，膜的質子傳導率提高，電堆性能提升。

D、Crossover效 應：電極在相對干燥的反應 條件下，會加速膜電解質的降解速度 ，從而導致膜的破損，使氣體向另一個 電極側滲透 。

E、膜金屬離子效應和催化劑中毒：水分過多會增加雜質對 MEA污染的機會，來自環境中的金屬離子、CO、S等有害組分以及電池中產生金屬離子等會隨著過量的水分擴散到電極表面和膜中，導致膜的金屬離子和催 化劑中毒等。

3、加濕器選型及應用要求

加濕器選型主要考慮其露點接近溫度、流阻、耐溫耐壓、最大跨膜壓差等。

（1）電堆性能及可靠性對水含量的需求

通過測試電堆在不同空氣濕度（含水量）下對電堆輸出功率的影響，確定最佳進堆空氣濕度；同時也要考慮不同含水量情況下對電堆壽命的影響。

（2）加濕器露點接近溫度作為評估其加濕能力的原因

燃料電池用加濕器為氣氣加濕型，通常通過給定濕側接近飽和的濕氣體（濕側的初露點），看能把干空氣加濕到什么程度（干側終露點）。定義濕側初露點與干側終露點之差為露點接近溫度，基本可以評估加濕器的加濕性能。也可以通過膜水傳遞率g/(min.cm2）來評估。

（3）允許介質溫度及跨膜壓差：膜材料和膜結構

一般膜材料的耐溫都在100℃以上。在DOE要求中跨膜壓差需＞75kpa。

4、膜材料及中空纖維管結構

（1）聚砜系列、聚酰亞胺、含氟磺酸膜

聚砜具有優良的機械性能、化學穩定性，耐熱性好，耐生物降解，內孔隙率高且微孔結構穩定，常用作氣體分離膜的基材。但是屬于疏水性膜材料。

聚砜、聚醚砜、聚苯砜，具有接近的性能，要應用在燃料電池上，一般可通過黃花處理提高其親水性。

聚酰亞胺具有高透氣性、選擇性、良好的耐熱能力，機械強度高，化學穩定性、耐溶劑性好，可制成具有高滲透系數的自支撐不對稱中空纖維膜。親水性差，需要磺化處理。

聚酰亞胺也作為一種未來有很好前景的質子交換膜在被大量研究。

全氟磺酸 PFSA作為質子交換膜，具有水在濃差下傳遞的功能，也可以作為增濕器的膜。含氟系列膜還包括，戈爾的ePTFE膨體聚四氟乙烯、巴拉德的BAM3G部分氟化質子交換膜。價格太貴了。

（2）中空纖維管膜、平板膜

中空纖維管膜主要分為多孔膜、表皮膜、均質膜，根據其特點制成超濾膜、正/反滲透膜、氣體分離膜、血透膜等。中空纖維管膜的特點是相同體積下表面積大。

中空纖維管制備工藝主要分為溶液紡絲法和熔融紡絲法。溶液紡絲法需要致孔劑在膜上產生微孔，且一般孔徑稍大，較常用；熔融紡絲法，通過拉伸產生微孔，技術要求高。

平板膜，通過中心很薄的PFSA夾層和兩側的多空層復合而成。表面積相對小。

6、內增濕技術

增濕的核心問題是水管理。豐田通過溫度控制和陽極水循環做到了不需要外部增濕器，內增濕對電堆要求也高，對控制策略要求更高。 另外也有如在集流端板上通過多孔碳板進行水交換，通過電堆中間增加類似單堆的模組進行水交換。總的來說技術難度大，要能用還早著呢。

非常感謝本文作者將增濕器的相關知識講的明明白白，讓大家學到了不少有用的知識。本人對增濕器也稍有一些了解，借此寶地給從經濟角度分享一下增濕器的選型和應用小知識。
首先任何一家系統廠的老板、工程師、采購員大家的共同愿景是降低燃料電池系統的成本，那么如何選擇合適的增濕器就是我們需要考慮的問題，是不是選擇更便宜的增濕器就能達到降低成本的目的呢？
目前市場上的增濕器無非有兩大類，一是韓國的kolon增濕器，另一類是國產的增濕器。當然了，和其他產品一樣，前者的價格要比后者的價格貴不少。表面上看選擇國產增濕器的話降低了增濕器產品的成本，那么整個系統的成本不就降低了嗎？由于國內基礎科學上的短板，尤其是基礎材料上的底子遠不如國外，所以在增濕器的關鍵材料（膜管）技術上要遠落后于國外，導致國產增濕器雖然價格便宜，但存在兩個致命弱點：一是膜管保壓能力差，即漏氣嚴重（導致氧氣供應不足）。二是有效壽命短。
膜管保壓能力差，就會導致空氣在經過增濕器后的壓力不足，導致干氣出口側的壓力達不到電堆進氣需求的壓力，怎么解決呢？增大增濕器干氣入口的壓力不久可以了。好！增大干氣入口的壓力，是不是需要提高空壓機的性能，空壓機的性能提上去了，空壓機的成本是不是上去了？會不會出現在增濕器上節省的費用還不足以彌補空壓機成本的提升？留給大家測算。
如果不變動空壓機的性能，那么由于空氣泄露較多，就會導致氧氣供應不足，氧氣供應不足就會導致系統的整體功率上不去，系統整體功率上不去的時候就需要增加MEA的片數，MEA片數的增加是不是又會導致系統整體成本的增加。
那么上面的兩種處理情況，我們最初選擇更便宜的增濕器，到底有沒有實現降低成本的目的？
另外，大家還知道空氣濕度的控制精度也影響電堆的整體壽命，如果由于增濕器導致電堆的壽命降低，那么哪怕降低10%電堆的壽命，就可能是3萬的損失（以一臺電堆30萬，壽命10000小時計算），3萬都可以買一臺好的增濕器了吧？
增濕器如何影響系統的壽命呢？一是增濕器加濕性能的穩定性（能否保證全壽命周期內的性能穩定），另外一個是增濕器的吹掃性能（是否能保證電堆不過干，過干的電堆會導致質子膜的降解速度加快，從而降低電堆壽命）。
從以上的簡單分享，我們可以看到，增濕器這個產品好像不是一個很簡單的產品，它的性能以及與空壓機、中冷器等零部件的匹配，對系統性能、壽命、成本有著綜合的影響，這也是燃料電池的復雜性和高技術特點。

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