自增湿燃料电池即将搅动风云？

随着国内燃料电池企业技术水平快速提高，燃料电池产品的制造成本正在大幅降低。其中，不少企业正在研发燃料电池自增湿技术，进一步降低材料成本和运行成本。

采用自增湿设计提升了燃料电池堆系统的紧凑性，降低了辅助系统成本，被认为是燃料电池发动机未来的发展方向之一。目前，雄韬氢雄、捷氢科技、明天氢能、锋源氢能、高成绿能、安池科技等企业均在该领域均掌握一定程度的自增湿技术，并开发出相应产品。

那么，燃料电池去掉加湿器必要条件是什么？自增湿燃料电池在不同工况下的性能、寿命如何保证？这些正在发生新变化，是否会让燃料电池自增湿技术发展成为行业主流？

自增湿技术迎来快速发展

对燃料电池来说加湿非常重要，燃料电池电堆在反应过程中，质子交换膜需要一定的含水量来保持较高的反应效率和导电性，质子交换膜的水含量与电导率密切相关。质子交换膜含水量过少不能满足膜良好润湿条件，导电性下降。而催化层和扩散层含水过多则会导致“水淹”现象，堵塞反应气的扩散孔道，严重影响电池的性能。

因此，反应介质需要通过增湿器来携带一定量的水蒸气进入电堆。增湿器也被视为燃料电池得以高效工作的关键部件之一。然而，一台增湿器的成本在数千元之间，占燃料电池整体成本的5%左右，并且其体积更是占了整个燃料电池系统的10%左右。

客观来看，增湿器会导致电池系统的复杂化、增加电池组的质量和体积，所以行业内也提出了自增湿方案。燃料电池自增湿技术是通过材料选型、设计优化和操作条件的控制，优化电堆的水管理能力，高效利用燃料电池电化学反应生成的水，实现膜电极不同位置水含量分布的均匀性。从而有效降低燃料电池阴极侧对于增湿器的依赖，降低系统成本并提高功率密度。

然而，在过去的一段时期内，业界认为国内的自增湿技术存在反应生成的水不足以对进气加湿、动态响应慢；以及增加了电池组的质量与体积，使电池组结构复杂化等问题，因此只在一些功率比较小（几百瓦）的燃料电池上实现了自增湿。

随着燃料电池技术的进步与发展，燃料电池自增湿技术取得了突破，一些企业在高功率燃料电池上实现了自增湿。例如，雄韬额定功率在30-200KW范围的极致混动系列Hybrid Expro产品以及捷氢科技在额定功率在65-210KW范围 的M3、M4、P3、P4系列产品均采用了自增湿技术。

此外，去年4月，高成绿能发布了具备自增湿技术的240kW石墨板燃料电池电堆单堆产品。今年7月，明天氢能基于自主电堆的高功率自增湿燃料电池发动机通过验收，额定功率为100kW；10月，安池科技自主研发的新一代120kW等级自增湿氢燃料电池系统成功量产下线。

安池科技CTO赵景辉告诉高工氢电，近年来国内自增湿技术实现突破，主要是因为丰田Mirai汽车成功实现自增湿，给大家增加了信心，也提供了研究突破方向。并且随着燃料电池使用的质子交换膜变得越来越薄，以及在研发过程使用上电化学阻抗谱（EIS）等新技术，让国内燃料电池的自增湿技术提升很快。

在 质子交换膜的变化方面，随着质子交换膜的厚度从上百微米逐渐降低到现在的8微米厚度，使得燃料电池的膜电极透水性越来越好，这就给其内部利用自己产生的水进行增湿提供了可能性；同时，随着EIS技术逐渐应用到燃料电池研发当中，可以更好的监控电池内阻，判断燃料电池内部湿度，也让自增湿的开发变得更容易。

自增湿如何迈过湿度控制、电堆寿命门槛

自增湿技术实现原理是通过将燃料电池阴极产生的水扩散到阳极，以此实现自增湿。丰田Mirai燃料电池车为例，其主要是通过改进燃料电池结构和阳极的工作条件实现的。

从理论上讲，当燃料电池在高功率阶段能够产生足够的水，以便自增湿技术将燃料电池阴极产生的水扩散到阳极。然而燃料电池汽车也会不可避免的遇到处于低功率阶段运行的工况，此时阴极产生的水较少，如何调配足够的水到阳极使用，是燃料电池企业必须要攻克的难题。

捷氢科技总经理卢兵兵表示，目前捷氢科技的 M3、M4、P3、P4等燃料电池系列产品已应用到实际运行当中，面对低功率运行阶段反扩散产生的水比较少的问题，捷氢科技的解决方案之一是设法将阳极的循环计量比提升，然后充分的让阳极水回流，适当的提升了阳极的相对湿度，从而解决了低电流密度区的反扩散的水比较少的情况。

此外，如何保证燃料电池的长寿命，也是研发自增湿技术时企业要重点考虑的问题。燃料电池如果装配增湿器，在增湿器正常工作状态下，可以保证电极湿度的稳定性，从而对膜电极寿命产生正向的影响。可是如果去掉增湿器，又该如何保证燃料电池电极湿度稳定性，进而保证燃料电池的寿命呢？

卢兵兵介绍说，捷氢科技在自增湿技术的研发过程中，着重在膜电极的开发和系统控制策略上下功夫。在膜电极方面，选用了水传输系数较高的质子交换膜，以便能充分的将阴极的水反扩散到阳极，让水分可以在阳极和阴极相对平衡；在控制策略方面，提高阳极对水管理的设计和控制精度，保证阳极在过干时有水分及时予以补充。根据目前的实验结果，捷氢科技基于自增湿技术的燃料电池产品寿命可达15000小时以上。

自增湿技术将助力燃料电池汽车推广

由于车载燃料电池的大小受限于车辆本身的体积，车载燃料电池需要尽可能压缩体积，设计紧凑，以节约更多空间。而乘用车对于燃料电池的电堆体积要求更高，所以燃料电池小型化问题也是挡在氢燃料电池乘用车商业化道路上的拦路虎之一。

卢兵兵表示，由于乘用车的车身尺寸小，车上的空间可谓寸土寸金。因此，未来的 燃料电池乘用车一定是自增湿燃料电池应用的主要领域。当前发展自增湿技术，不仅有利于推动燃料电池小型化，同时有利于燃料电池整体成本下降，这也为燃料电池乘用车商业化发展奠定坚实基础。

赵景辉认为，虽然燃料电池商用车空间更多，但是如果燃料电池发动机整体体积较大，占用的车空较多，就会对汽车的设计布局和汽车的利用率产生不利影响。因此采用自增湿技术的燃料电池商用车设计的会更宽敞，利用空间也更大，这将有助于燃料电池商用车的推广。

自增湿技术为燃料电池创造了降本增效的空间，但能否发展成为燃料电池技术的主流路线，还需要在实际应用中进一步验证。可以看出，随着新技术的陆续应用，燃料电池发动机的进化速度正在加快。