基于实时原位相对湿度和温度分布分析的质子交换膜燃料电池中由化学计量关系驱动的水分传输过程

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Stoichiometry-driven water transport in proton exchange membrane fuel cells based on real-time in-situ relative humidity and temperature distribution analysis

本研究通过在质子交换膜燃料电池单极板通道中布置50个微湿度-温度传感器，实时监测阴极和阳极通道的水分与温度分布，揭示了不同配比对水分传输和积累的影响规律。实验表明，低配比下易出现气相缺乏，高配比则导致严重 flooding，而配比为1.5时水分管理最优。通过分析电流密度、进气与排气湿度温度等参数，建立了动态水分传输模型，为优化燃料电池水分管理提供了理论依据和实践指导。

　　这项研究围绕质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的水管理和温度分布展开，重点分析了不同气体当量比对水在单电池极板通道中的传输和积累的影响。PEMFC作为一种清洁高效的能源转换装置，因其零碳排放和可再生能源的适应性，在交通和能源领域具有广阔的应用前景。然而，其实际应用中仍面临诸多挑战，尤其是如何在不同工况下实现高效的水管理，以维持电池的长期稳定运行和高能量输出。

水在PEMFC中扮演着至关重要的角色。一方面，它是质子传导所需的介质，确保电池内部的离子迁移；另一方面，它也参与了氢气在离子膜中的溶解和扩散过程，并影响铂催化剂表面的反应效率。因此，保持适当的水含量对于维持电池性能至关重要。然而，过多的水分会导致严重的“水淹”现象，阻碍气体传输，增加质量传递阻力，从而降低电池效率。反之，水分不足则会导致膜脱水，影响其导电性能，进而损害电池的运行稳定性。因此，如何在不同操作条件下实现水分的动态平衡，成为提升PEMFC性能的关键问题之一。

在本研究中，研究人员通过嵌入式微传感器，在单电池极板的阳极和阴极通道内连续监测了50个点的相对湿度和温度（RH/T）。这种实时的原位测量方法能够更准确地捕捉到电池内部水分和温度的变化趋势。通过将传感器对称布置在阳极和阴极极板上，研究团队不仅能够测量各通道内的湿度和温度分布，还能够进行定性分析，以评估水在电池内部垂直方向上的传输行为。这一方法为理解水在电池内部的流动机制提供了新的视角。

研究发现，在低负载条件下，高气体当量比会导致通道内的水分迅速蒸发，从而造成通道干燥。这种现象可能会降低反应气体在电极表面的浓度，进而影响电池的输出性能。而在低气体当量比的情况下，随着负载的增加，反应气体供应不足，导致气体饥饿现象，引发电池内部过热和严重的水淹。特别是在低气体当量比下，当电流密度增加时，水的生成速度加快，而气体的供应能力不足以及时带走这些水分，最终导致水分在膜和电极层中积累，影响电池的正常运行。

值得注意的是，当气体当量比从2.5降低至1.1时，阳极和阴极的水分积累率分别增加了37.4%和94.8%。这表明，随着气体当量比的降低，电池内部的水分管理变得更加复杂，需要更精细的调控策略。而当气体当量比维持在1.5时，水淹现象得到了有效控制，说明这一当量比可能是一个较为理想的平衡点。研究团队还指出，不同的电流密度条件下，水的传输机制会发生变化。例如，在电流密度低于0.1 A/cm2时，对流是主要的水分传输方式；当电流密度处于0.1–0.2 A/cm2之间时，反扩散机制逐渐占据主导地位；而在电流密度超过0.2 A/cm2时，电渗效应增强，导致垂直方向上的水分传输速率线性增加。

这些发现不仅揭示了气体当量比对水分传输和积累的动态影响，也为优化PEMFC的水管理策略提供了重要依据。通过实时监测水分和温度分布，研究人员能够更直观地理解电池内部的水分流动模式，并据此调整操作参数，以达到最佳的水管理效果。此外，研究还强调了气体当量比在实际应用中的重要性，特别是在提高系统效率和延长电池寿命方面。高气体当量比虽然有助于快速响应负载变化和有效排水，但会增加压缩机能耗，降低整体燃料经济性。因此，如何在保证电池性能的前提下，合理控制气体当量比，成为提升PEMFC商业可行性的关键。

研究团队通过实验方法，对不同气体当量比下的水分和温度分布进行了系统分析。他们发现，当气体当量比降低时，反应气体的供应能力减弱，导致电极层中的水分难以及时排出，进而引发水淹。这种水淹不仅会降低电池的输出功率，还可能加速膜和催化剂的劣化，缩短电池的使用寿命。相反，当气体当量比较高时，虽然能够有效排除水分，但会增加系统的能耗，影响整体效率。因此，寻找一个最佳的气体当量比范围，成为优化PEMFC性能的重要方向。

为了进一步验证这些结论，研究人员采用了两种独立的实验方法。首先，他们利用嵌入式微传感器，在阳极和阴极极板的通道内进行原位测量，获取了详细的水分和温度分布数据。其次，他们基于实时操作参数，如入口和出口的RH/T、压力和气体流速，计算了水分的积累和传输速率。通过这些实验手段，研究人员能够全面地分析不同气体当量比对水分和温度分布的影响，并据此提出优化策略。

研究结果表明，水分的传输机制与气体当量比密切相关。在低电流密度条件下，对流是水分的主要传输方式，而随着电流密度的增加，反扩散和电渗效应逐渐成为主导因素。这说明，在不同工况下，水分的传输模式会发生变化，因此需要动态调整水管理策略。例如，在低负载条件下，可能需要通过增加气体当量比来确保足够的水分供应；而在高负载条件下，则需要适当降低气体当量比，以防止水淹现象的发生。

此外，研究还指出，水分管理不仅仅是单一的控制问题，还需要综合考虑其他因素，如相对湿度、压力和电流密度等。这些因素相互作用，共同影响电池的运行性能。因此，未来的优化工作应当基于多参数协同调控的思路，以实现更高效的水管理。例如，通过调整入口湿度和压力，可以间接影响水分的生成和传输速率；而通过优化电流密度，可以控制电池内部的反应强度，从而影响水分的分布模式。

在实际应用中，PEMFC通常需要在高气体当量比下运行，以确保反应气体的充足供应和有效的水分排出。然而，这种做法可能会导致不必要的能耗和燃料浪费。因此，如何在保证电池性能的前提下，降低气体当量比，成为提升系统效率的重要课题。研究团队通过实验发现，当气体当量比维持在1.5时，水淹现象得到有效控制，这可能意味着这一当量比是一个较为理想的平衡点。然而，这一结论需要结合具体的电池设计和运行条件进行进一步验证。

为了更好地理解水管理机制，研究团队还对不同气体当量比下的水分分布形态进行了深入分析。他们发现，水分的积累和传输行为在不同当量比条件下表现出显著差异。例如，在高气体当量比下，水分能够较快地从电极层排出，而在低气体当量比下，水分则更容易在电极层中积累。这种差异表明，气体当量比对水分的动态平衡具有决定性作用，因此在实际运行中需要根据负载变化灵活调整气体当量比。

研究团队还指出，水分管理的优化不仅有助于提高电池的运行效率，还能够延长其使用寿命。通过合理控制气体当量比，可以减少电极层和膜的水分积累，降低腐蚀和催化剂溶解的风险，从而提高电池的耐久性。此外，水分的动态变化还会影响电池的热管理。在高气体当量比下，由于水分的快速排出，电池内部的温度分布可能更加均匀；而在低气体当量比下，水分的积累可能导致局部过热，影响电池的整体热稳定性。

综上所述，这项研究为PEMFC的水管理优化提供了重要的实验依据和理论支持。通过实时监测水分和温度分布，研究人员能够更准确地理解水分在电池内部的流动机制，并据此提出优化策略。这些策略不仅有助于提高电池的运行效率，还能够延长其使用寿命，从而推动PEMFC在交通和能源领域的广泛应用。未来的研究可以进一步探索不同电池设计和材料对水分管理的影响，以及如何通过智能控制策略实现更高效的水管理。