PEFC燃料电池中电解质的水合作用问题分析

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：我们继续研究PEFC燃料电池，它的电解质是固态的，由聚合物膜制成。对于这种电解质来说，需要确保膜充分的水合作用，以获得良好的离子转移性能。如果膜发生水淹，反应气体到催化剂界面的路径就会被阻塞，而此时如果有电流需求，就会导致电池外电压迅速且大幅度地下降。此时的电流需求如果仍保持不变，就会导致膜电阻增加，电池外电压也相应地下降。2）质子从阳极向阴极迁移的过程中，水也转移到阴极，这种现象称为“电渗透”。

我们继续研究PEFC燃料电池，它的电解质是固态的，由聚合物膜制成。对于这种电解质来说，需要确保膜充分的水合作用，以获得良好的离子转移性能。干聚合物膜的离子传导率很低，但经过水合之后，传导率能够快速增长（Nafion膜几乎可吸收自重20%的水）。此外，当膜周围存在一层水膜时（每个质子外环绕着2～5个水分子），质子可以在电场力的作用下迁移（继而形成电流）^{[MOR 03]}。然而，必须保持膜的水量平衡，因为如果水量控制不当，电解质膜就会存在着水淹或者脱水的风险。如果膜发生水淹，反应气体到催化剂界面的路径就会被阻塞，而此时如果有电流需求，就会导致电池外电压迅速且大幅度地下降。如果膜脱水，电解质膜的质子传导率就会下降，甚至不能迁移。此时的电流需求如果仍保持不变，就会导致膜电阻增加，电池外电压也相应地下降。电池控制系统的一个主要功能就是通过测量电压（既可以是电堆电压，也可以是单体电压）来防止膜水淹或脱水现象的发生。如果检测到电压过低，则应停止运行以避免系统进一步恶化。PEFC燃料电池内部的水循环如图7-5所示。

图7-5 PEMFC燃料：电池内部的水循环

（1、2表示电极壁处的水蒸发/冷凝 3表示阴极侧生成水 4表示水扩散 5表示电渗透）

那么，膜水淹或者膜脱水的风险是如何产生的呢？这应该是电池内部物理、化学演变过程和电池系统运行过程等直接相关的各种因素共同影响的结果。

1）阴极电化学反应生成水，水量与燃料电池输出的电流有关。(https://www.chuimin.cn)

2）质子从阳极向阴极迁移的过程中，水也转移到阴极，这种现象称为“电渗透”。

3）由于两气室间水浓度不同，水从阴极向阳极扩散。

4）为了防止膜脱水，尤其在高温运行时，一般在反应气体中（阴极、阳极，或者两侧同时）添加水，但这会造成水平衡发生移位。

5）电池运行温度和反应气体在电池入口时的温度，同样会造成水平衡的移位，而电池内部也会存在着局部的水蒸发或冷凝现象，这取决于其温度和压力条件。

PEFC燃料电池中电解质的水合作用问题分析

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