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通过质子交换膜燃料电池堆的出口气体冷凝水分的空气

加湿湿度和回收水

A湖南理工学院，物理与电子工程学院，岳阳，湖南414006，中国

B武汉理工大学材料合成与加工先进技术国家重点实验室，武汉，430070，中国

C武汉华中科技大学，能源与动力工程学院，430074，中国

文章信息

文章历史：

2011年9月2日收到

2012年2月29日接受

2012年3月13日在线提供

关键词：

质子交换膜燃料电池

栈

水回收

空气中自给自足的水

冷凝器

摘要：

加湿是质子交换膜燃料电池（PEMFC）运行的最重要因素之一。为了保持薄膜处于水合

状态，在质子交换膜燃料电池技术中，特别是在大功率应用或长时间运行时，需要大量最佳

状态的水。为了水中堆栈的空气可以自给自足，在研究中引进了一种冷凝器，可以在出气口

分离出液态水。人们通过实验和理论来研究冷凝器出气口的冷凝温度和水中自给自足空气的

出水回收量。结果表明，冷凝空气自给自足的水的温度与堆栈的工作电流无关。当冷凝器出

口温度在理论线以上时，回收水没有得到充分的空气加湿。相反，当温度低于理论线时就会

得到充分的加湿。同时也表明，当水分充分冷却时，大量的水可以从出口的气体中分离，随

着时间几乎呈线性增长。通过冷凝器的引进，通过出口气体的冷凝，大量的回收水可以容易

的使水中自给自足的空气达到合适的温度。

1.介绍

由于能量转换效率和功率密度高、启动迅速和污染少，质子交换膜燃料电池（PEMFC）

已被认为是一个便携式的有前途的电源设备、运输和固定的应用。PEMFC的很多方面如热

管理，温度分布，系统优化设计等，多年来一直被着。然而，对于操作性的质子交换膜

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燃料电池的一个关键要求是保持高含量的电解液，以确保准确的离子电导率。因此，必须不

断地提供水分子来防止膜干燥，否则可导致离子导电性急剧下降。迄今为止，为防止膜干燥

已经开发了很多方法，他们主要分为外部加湿和内部加湿。

外增湿是指通过在加湿反应气体之前进入加湿器来加湿膜，加湿的主要过程主要发生在燃料

电池外。由于这一过程比较容易处理，它一直是最常见的技术。李等人研究了通过改变膜加

湿方向如加湿阳极、阴极加湿和阳极和阴极加湿（称为两侧加湿）对膜加湿的外部影响。

结果表明，两侧加湿时细胞能实现最佳性能。阳极的更高温度加湿导致电池性能下降。

荣格等人为PEMFC车开发了一个大型气体加湿系统喷射器。加湿系统包括一个喷射器，双

工焓混合器和水管理设备。可以观察到，加湿性能受注水温度十分严重。他们的研究中，

气体流量和入口气体温度也影响了加湿性能和响应时间。斯里达尔等在研究外部膜阳极加湿。

结果表明，随着电流密度和电极面积的增加，溶剂状态的水质子逐渐减少，而冷却水本身可

以用来加湿氢气。

Springer等使用外部湿化模型来研究质子在膜中的运输，在典型操作条件下，模型预测的净

水质子通量为0.2h20/Hþ。阮和同事报道了直接注射液体方案的有效性和交叉流场设计提

供了足够的气体来保持水化膜的最佳状态，减少传质限制反应物和电极驱。贤和基姆研究了

一个用于燃料电池外部加湿的方法，用露点变送器测量气体的湿度和温度。E-TEK电极和

Nafion115膜被用来确定相对湿度和电池性能之间的关系。结果表明，氢气的相对湿度比

空气或氧气低10~15%。Rajalakshmi