燃料電池電堆在反應(yīng)過程中,，質(zhì)子交換膜需維持一定的濕度以保證較高的反應(yīng)效率,，因此要求反應(yīng)介質(zhì)需攜帶一定量的水蒸氣進(jìn)入電堆,，這一步通常需通過增濕器來實現(xiàn),。本文從以下六個方面對燃料電池增濕器進(jìn)行分析介紹,。

1氫燃料電池原理

H2以氣體狀態(tài)經(jīng)過陽極碳纖維擴(kuò)散層,，在催化層分離為H質(zhì)子和電子，H質(zhì)子（以H3O+狀態(tài)）通過質(zhì)子交換膜,，在陰極催化層與O離子結(jié)合生成水,。

理論上，質(zhì)子交換膜只能通過質(zhì)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(zhì)子傳導(dǎo)率。一般情況下陽極氫氣和陰極空氣都必須加濕,，在陰極側(cè)反應(yīng)生成水,，在兩側(cè)水濃度梯度差下，水會經(jīng)過膜遷移到另一側(cè),。

2水傳遞的基本原理

（1） 水傳遞原理

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

反擴(kuò)散：水在陰極形成 ，在膜兩側(cè)的水濃度梯度推動下 ，水由陰極向陽極傳遞 ,，其水量正比于水的濃度梯度和膜內(nèi)水的擴(kuò)散系數(shù) ,，反比于膜的厚度。

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

（2）水含量是如何影響質(zhì)子交換膜的性能的？

A,、陰極空氣濕度：空氣相對濕度增大,，導(dǎo)致反應(yīng)界面生成水向陰極擴(kuò)散層-流道界面遷移受到抑制，從而促進(jìn)水向陽極側(cè)遷移,。

B、陰極空氣露點溫度：空氣露點溫度升高,，反應(yīng)生成水向陽極遷移,，提高了膜內(nèi)水含量，增強了膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率,，使電池輸出電勢升高,。空氣露點溫度過高,，則陰極水量太多,，無法以氣態(tài)形式帶走，導(dǎo)致水淹,。同時,，氧氣濃度降低，反應(yīng)速率降低,；傳質(zhì)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(jìn)陽極擴(kuò)散層內(nèi)水分蒸發(fā),，促進(jìn)水的濃差遷移，膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率提高,，電堆性能提升,。

D、Crossover效應(yīng)：電極在相對干燥的反應(yīng) 條件下，會加速膜電解質(zhì)的降解速度,，從而導(dǎo)致膜的破損,，使氣體向另一個 電極側(cè)滲透 。

E,、膜金屬離子效應(yīng)和催化劑中毒：水分過多會增加雜質(zhì)對 MEA污染的機會,，來自環(huán)境中的金屬離子、CO,、S等有害組分以及電池中產(chǎn)生金屬離子等會隨著過量的水分?jǐn)U散到電極表面和膜中,，導(dǎo)致膜的金屬離子和催化劑中毒等。

3加濕器選型及應(yīng)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、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jia進(jìn)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(cè)接近飽和的濕氣體（濕側(cè)的初露點），看能把干空氣加濕到什么程度（干側(cè)終露點）,。定義濕側(cè)初露點與干側(cè)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(zhì)溫度及跨膜壓差：膜材料和膜結(jié)構(gòu)

一般膜材料的耐溫都在100℃以上,。在DOE要求中跨膜壓差需＞75kpa，無支撐超薄中空纖維管要達(dá)到這個水平有一定難度,。

（4）可靠性：性能,、泄露

一般可靠性性測試，可以對比耐久前后露點接近溫度,；也可以通過氣泡法判斷膜破損率,。

4加濕器選型及應(yīng)用要求

（1）博純，杜邦獨jia授權(quán)Nafion中空纖維管,；

（2）KOLON,，聚砜均質(zhì)中空纖維管；

（3）NOK,，聚苯砜中空纖維膜,，納米孔隙；

（4）Dpoint,，采用夾層復(fù)合平板膜Gore+PFSA,。

5膜材料及中空纖維管結(jié)構(gòu)

（1）聚砜系列、聚酰亞胺、含氟磺酸膜

聚砜具有優(yōu)良的機械性能,、化學(xué)穩(wěn)定性,，耐熱性好，耐生物降解,，內(nèi)孔隙率高且微孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(yīng)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(xué)穩(wěn)定性、耐溶劑性好,，可制成具有高滲透系數(shù)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(zhì)子交換膜在被大量研究。

全氟磺酸 PFSA作為質(zhì)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(zhì)子交換膜。價格太貴了,。

(2) 聚砜系列,、聚酰亞胺、含氟磺酸膜

中空纖維管膜主要分為多孔膜,、表皮膜,、均質(zhì)膜，根據(jù)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(chǎn)生微孔，且一般孔徑稍大,，較常用,；熔融紡絲法，通過拉伸產(chǎn)生微孔,，技術(shù)要求高,。

平板膜，通過中心很薄的PFSA夾層和兩側(cè)的多空層復(fù)合而成,。表面積相對小,。

6內(nèi)增濕技術(shù)

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(huán)做到了不需要外部增濕器,，內(nèi)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(jìn)行水交換,，通過電堆中間增加類似單堆的模組進(jìn)行水交換,。總的來說技術(shù)難度大,，要能用還早著呢,。