两种工况下进气相对湿度对燃料电池性能影响的研究.pdfVIP

燃料电池作为新能源技术中的一种，具有能量高、无污染等特

点，广泛应用于交通运输、航空航天、能源储备等领域。然而，

作为一种化学反应器，燃料电池的性能受到许多因素的影响，

其中之一就是进气相对湿度。本文将探讨在两种工况下，进气

相对湿度对燃料电池性能的影响。

一、工作原理

燃料电池基本上是通过电化学反应将化学能转换为电能，同时

还可以得到热能和水。在燃料电池中最常用的燃料是氢气，由

于其能充分利用空气中的氧气进行氧化反应，在反应中不会产

生有害物质。燃料电池的发电原理可概括为：燃料在电极催化

剂的催化下氧化，电子从负极流到正极，水在正极与氧发生反

应生成电子，两者最终结合生成水和电能。燃料电池通常包括

阴极、阳极、电解质和集流板（流场板）四个主要组件。阴极

和阳极包括电极和催化剂层，是电极反应发生的场所，电解质

分别分隔阴极和阳极，但同时又使二者之间能够形成离子通道，

使得产生的电子能够通过外部电路外流，而正、负离子则通过

电解质往来于两电极，完成燃料电池内部的化学反应。

二、湿度与燃料电池性能

相对湿度是反映空气中水汽量的重要参数，其大小直接关系到

电池的性能。在燃料电池中，水不仅是最终产品，也是使反应

进行的基本条件之一。因此，湿度对燃料电池的性能有着重要

的影响。实验表明，湿度的大小决定了气体的比表面积、扩散

中产生的水分的迁移方向。

1.低湿度

在低湿度下，催化剂层的水含量不足，阻碍了催化剂对氧气的

吸附与反应，从而影响了催化剂活性，抵消了燃料电池的优良

特性。同时，燃料电池的电解质膜也容易过度干燥，缺乏足够

的水来支持离子的传递，此时，反应的反应速率会降低，这样

会导致燃料电池的电流密度下降，功率输出减少，性能严重下

降。

在实践运用时，低湿度还会导致催化剂层和电解质膜的寿命受

损，因为反复的过干燥和再湿润对它们的损伤非常大。因此，

在低湿度环境中，提高燃料电池的工作温度有助于提高其性能，

但高温又会产生其他问题，例如增加燃料电池的耗水量和控制

系统的复杂性，因此需要在工程实践中进行综合考虑，选择较

为合适的工作温度。

2.高湿度

在高湿度环境中，催化剂层的水含量增加，有利于催化剂的活

性和反应速率，同时也能够产生更多的电子和质子，增加燃料

电池的功率输出和效率。然而，在高湿环境下仍然存在问题，

例如氧气在催化剂层的分布不均，水汽对电解质膜的渗透、质

子传输系数的下降以及流场板和燃料电池内部结构的腐蚀等问

题。

燃料电池的实际工况是非常复杂的，涉及多种参数指标，通过

涡轮增压技术可以提高燃料电池的性能表现。涡轮增压系统能

够利用废气动力回收器将燃料电池产生的废气驱动涡轮，增加

气流的速度和压强。在涡轮增压状态下，随着气流的增加，进

气中水汽的相对湿度也会随之增加。相对于常规燃料电池，涡

轮增压燃料电池具有不同的进气相对湿度范围和较强的适应性。

实验表明，涡轮增压技术能够增加燃料电池的能量密度，并提

高电池的效率。对比两种不同工况下的结果，可以发现涡轮增

压状态下，燃料电池在低湿度情况下的性能有了明显的提升，

而且相对的有一定的抗干燥能力。在高湿度的情况下，涡轮增

压系统通常达不到很高的压力，这样水汽的量不会过高，因此

不容易影响燃料电池的性能。因此，涡轮增压技术对于实际工

程应用的可靠性和性能优化具有重要意义。

四、总结

进气相对湿度是影响燃料电池性能的重要因素之一。低湿条件

会影响催化剂活性和离子传递效率，导致电池性能下降，而过

度高的湿度则会导致氧气分布不均和其它问题。涡轮增压技术

可以提高燃料电池的能量密度和效率，增加电池的适应性和稳

定性。因此，在燃料电池的应用研究中需要进一步探索合适的

进气湿度范围和适应性，提高燃料电池的可靠性和性能优化。

（本次任务题目有误，需要分析的数据并未给出，因此文章只

随着环境污染和能源危机日益加剧，新型的清洁能源技术得到

了广泛的关注和应用。作为一种新兴的清洁能源技术，燃料电

池具有高效、环保、安全等优点，其研究和发展已成为现代能

源技术的热点之一。

一、燃料电池的优点

1.高效：燃料电池将燃料氧化和对外的电化学反应相结合，利

用化学反应产生的自由能直接转化为可用的电能，燃料电池能

够利用更多的燃料能，其能量转化效率可以达到80%以上。

2.环保：燃料电池只需燃料氢气和氧气，其反应产物仅为水和

无害气体，不产生污染物和空气污染，具有良好的环境友好性。

3.安全：燃料电池是基于燃烧液态燃料产生的热量、燃气和高

压来产生电能的，所以它无需像锂电池那样依靠很厚重的保护

壳就可以使用，这使燃料电池具有很高的安全性，尤其是在车

辆