质子交换膜对水的“既要”和“又要”

燃料电池正常工作的时候，质子交换膜中的水需要达到平衡状态，既不能多，也不能少。

质子交换膜的质子导电率跟水有很大的关系，几乎与水含量呈线性关系。如果含水量较少，膜的电阻就增加，高电流密度的工况下，会产生很大的欧姆损耗，并且含水量少也会导致催化层的活性降低，严重脱水会导致膜的破裂；如果含水量较多，会造成局部阻塞，到达催化层反应区的反应气体量减少，浓差极化增加，并且使反应气体分布不均匀。

了解了膜与水的关系，下一步就要整明白，水在膜中是怎么传递的？

燃料电池在运行过程中，水在膜中主要有两个传递。

一个就是电渗迁移，简单理解电渗迁移就是质子在从阳极到阴极的过程中，水随着质子一起到达了阴极，也就是说质子在传递过程是水合状态，我个人理解就是水在这里作为了一个载体，有载体的话，质子就更容易从阳极到阴极，这也符合质子导电率与水的关系。

二是水在浓度梯度下的扩散，由于电渗迁移的作用，阳极的水会到达阴极，造成阳极侧的水减少，同时阴极侧也有反应生成的水，这样阴极侧的水浓度就大于阳极侧，造成水在膜两侧形成浓度差，从而导致阴极向阳极扩散，这就是通常所说的反扩散。

从水的两个主要传递可以了解到，所谓的水平衡就是电渗迁移与反扩散的速率相等。

资料&教科书：“在实际的运行中，燃料电池随着电流的增加，反向扩散的水量越来越低于正向的电渗迁移的水量，形成所谓的水净迁移，也就是说电流越大，越导致阳极侧脱水。电流越大，质子数越多，携带的水分就越多。”

问题一：关于这里，我思考了一个问题，电流越大，也代表了阴极侧产生的水越多，水的浓度梯度也越大，正常来讲，浓度梯度越大，反向扩散也越大，可以抵消电渗迁移，为什么这里要说水反向扩散的量要低于电渗迁移呢？

关于这个问题，我有机会问到了行业专家，专家给我的回答是：一方面是技术发展快，教材有点落后了，那个时候膜的厚度很厚，导致反向扩散的速度很慢，没有电渗迁移的速度快，就会以上的结论出来。另一方面是目前的话，膜的厚度大大减小，以上结论所说的情况大大缓解了。也就是说我的理解方向是合理的。

关于传递，在某些资料可能会陈述到压力差的问题，燃料电池运行过程中，阴极侧的压力要略大于阳极侧，也就是说空气的压力要大于氢气的压力，在压力的作用下，水会从阴极侧到阳极侧，我个人理解这个说法应该是浓度差传递的进一步细化，就是压力会影响浓度传递。

了解了水在膜中的平衡，下一步就要整明白，影响平衡的因素都有哪些？

在说因素之前，要说一个燃料电池第一定律：不能只改变燃料电池中的一个参数，一个参数的改变至少会引起其他两个参数的改变，并且其中至少一个会对期望产生相反的作用。  

这个所谓的定律是我在查资料的时候看到的，这个我还没证实过，宁可信其有吧。

影响水平衡的主要因素：

1.电流密度，这个因素不用细说了，上文该说的已经说了。

2.工作温度，温度的影响主要体现在饱和蒸气压上面，温度升高会造成水饱和蒸汽压的增大，导致通过蒸发离开膜的水量增加。

3.湿化程度，这个因素就涉及到了气体加湿，一会再讲。

为什么要提燃料电池第一定律这事，就是要说明一下，其实影响水平衡的因素有很多，也不是单个因素就能起到决定作用，我个人理解就是这些因素之所以是主要因素是因为可以在燃料电池运行中调节的。比如，膜的厚度，GDL的厚度及微孔层孔隙的大小，以及亲水性与疏水性材料的使用，这些都会影响水的传递，但这些因素是在组装完电池之后，是无法改变的。

当然还有其它可调节的因素，比如，气体流量、气体压力等。但从另一方面理解，这些因素的体现就是电流密度。

因为湿化程度的影响，原则上，氢气与空气都是需要加湿的。

但目前的技术是，氢气不采用外部加湿的方法，而是通过利用反扩散的水，通过氢气循环泵将阳极出口侧的水循环至阳极入口，从而实现氢气的加湿。

问题二：那么问题又来了，按照电流增大，产生水净迁移的说法，阳极侧的水会减少，哪来的水循环加湿呢？

其实这里的逻辑是相同的，上文已经解答了，目前膜已经大大减薄了，水净迁移的情况已经缓解很多了。

空气相对氢气来说，是需要外部加湿的。

问题三：那问题又来了，空气为什么需要加湿呢？尤其是阴极侧还产生水。

我觉得从2个方面来解释：

1.就是反应计量比，空气的化学计量比一般≥2，大量的干燥空气会带走大量的水。

2.相比氢气循环，空气是不循环的，这样的话，空气就会吹干进口处的区域，影响水的均匀性。

丰田MIRAI的燃料电池却没有空气的外部加湿，实现了燃料电池的自增湿。

分析下来，丰田采取的措施，我们其实在上文中都可以找到出处。

1.降低质子交换膜的厚度，这样的话，阴极产生的水就更容易反扩散到阳极了。

2.使氢气与空气沿相反方向流动，这样的话，阴极反扩散到阳极的水被氢气带到阴极入口处来加湿空气，氢气循环量可以增加，将增加氢气的携带水量，主要利用的还是氢气的循环。  

3.降低阴极入口的温度，减少水分的蒸发量。  

另外一个技术上的利用就是通过交流阻抗法在线检测燃料电池膜内部水含量的实时状态，然后在线调节调控气体的流量跟压力来控制水分含量。

好了，以上就是我关于质子交换膜与水的关系学习记录，仅供参考。