《Journal of Power Sources》：A systematic review of water management state and optimization methods of proton exchange membrane fuel cell
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质子交换膜燃料电池（PEMFC）水管理研究系统综述了流动通道、气体扩散层（GDL）、微孔层（MPL）、催化剂层（CL）和质子交换膜（PEM）的核心作用，分析了水含量影响因素及检测方法，提出了结构优化、材料改进和智能控制等策略，并展望了系统级水管理及商业化应用方向。
杨晓|李少波|胡行军|姜天和|孙跃新|傅晓娴|张显珍
中国吉林大学汽车模拟与控制国家重点实验室
摘要
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种高效且清洁的能源转换技术，由于其高能量密度、低排放和快速启动特性，被广泛应用于移动电源、汽车、船舶、航空航天等领域。电池内部的水管理状态对电化学反应区域、气体传输路径、膜导电性等方面有着重要影响。已有大量关于PEMFC中水生成、传输和检测的研究，以及对其可能影响的文献综述。本文分别讨论了流道、气体扩散层（GDL）、微孔层（MPL）、催化剂层（CL）和质子交换膜（PEM）在水管理中的重要作用，以及影响水分含量和分布的因素。此外，还总结了改善水管理状态的优化方法以及常用的检测流道和PEM中水分含量的方法。最后，阐述了PEMFC水管理在结构优化、材料选择和商业化方面的未来研究方向。
引言
自21世纪以来，由于石化能源的广泛使用，环境污染和资源短缺问题日益严重。传统发动机使用石油或柴油燃料，会排放一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物等污染物。随着社会对环境保护和可持续发展的关注度提高，减少污染物排放和缓解能源短缺成为关注焦点，开发和利用绿色清洁替代能源及新型发电厂成为可行途径[1]。燃料电池因其环境和节能优势，逐渐成为各国能源研究的重点[2]。其工作原理简单，以氢气和氧气为原料进行氧化还原反应，产生的电能可直接供外部负载使用。其中，氢燃料电池因原料易得且产物对环境无害而成为新型燃料电池的研究热点[3]。作为氢燃料电池的一种，PEMFC因其低污染、低噪音、高功率密度和高能量转换效率的特点，受到各国学者的系统研究，并已广泛应用于交通运输业和移动设施的供电领域。现代战场上，PEMFC还被用作各种便携式电子设备的便携电源，得益于其轻量化、安静、高效和可靠的特点[4]。近年来，PEMFC主要应用于新能源汽车，实现其大规模商业化应用需要进一步降低成本、提高功率密度、增强可靠性和耐用性，并追求紧凑性和便携性[4]。质子交换膜燃料电池的结构如图1所示：PEMFC包含五个基本组成部分：流道、气体扩散层（GDL）、微孔层（MPL）、催化剂层（CL）和质子交换膜（PEM）。
PEMFC的工作原理是氢气和氧气分别从阳极和阴极入口进入流道作为反应物。氧气和氢气分别通过GDL和MPL后，在阴极和阳极侧的CL处发生氧化还原反应。在阴极CL产生的水不断被输送到MPL、GDL和气体通道中，最终排出PEMFC。反应过程中的电子通过外部电路传输，产生的电能可直接供外部负载使用。整个过程的最终产物仅为水和热量，是一种优秀的环境友好型能源。
从整个反应过程来看，水的传输路径与气体传输路径相同，因此液态水的积聚是PEMFC中氧气传输受限的主要原因。当内部水分与外部引入的水分无法平衡时，会发生水淹或脱水现象[5]。水淹时，过量的水会堵塞GDL的孔隙，覆盖CL的活性位点，并阻塞流场中的气体传输通道，从而阻碍氧气传输，降低燃料电池的输出功率[4]。此外，质子传导膜的离子导电性高度依赖于其湿度或含水量，在最大湿度下导电性最高。当膜脱水时，质子导电性降低，可能导致电池内部出现显著欧姆损耗，进而影响性能和寿命。杨等人[6]模拟了一个PEMFC模型系统，发现如果水管理不当，系统性能会显著下降，从而大幅降低燃料电池效率。Aslam等人的实验结果[7]表明，良好的水管理可使流道温度均匀，有效延长PEMFC的使用寿命。这些研究表明，水管理问题是影响PEMFC性能稳定性和耐用性的重要因素，合理的水管理能确保PEMFC的正常运行并提高效率。
当前研究中使用的PEMFC水管理方法大致分为四类。第一类通过设计双极板的流道形状或多孔介质的微孔结构来管理水传输。例如，MPL的存在减少了CL界面处的液态水积聚程度，以及GDL的空间变化对CL水管理的影响；在低相对湿度（RH）下，具有空间可变特性的MPL有助于增加膜中的水分含量，从而提高性能[8]。研究还发现，线性和平行流道的流道尺寸较小，流体流动较慢，容易堵塞并降低PEMFC性能[2]。第二类关注结构材料的组成。例如，通过激光喷涂技术在CL表面喷涂二氧化硅，或将聚四氟乙烯（ePTFE）增强骨架插入全氟磺酸（PFSA）膜中，可显著降低膜电极组件（MEA）的氢气交叉电流，有效提高PEMFC的耐用性[9]。第三类是从控制系统角度主动改进燃料电池的水管理，陈等人[10]提出了PEMFC湿度管理的动态控制模型，并进一步提出了分数阶PID控制策略来平衡膜湿度。第四类涉及其他方面，如通过改善扩散层的渗透性或实验装置本身来优化水管理方法。根据文献调查结果，当前燃料电池水管理问题主要集中在PEMFC的个别组件或部分参数上，而对PEMFC系统结构的整体考虑较少。
因此，本文回顾了PEMFC管理相关研究的进展和现状，为未来的水管理研究提供参考。本文对PEMFC的五个基本结构组件进行了分类说明，主要包括：流道、GDL、MPL、CL和PEM。首先介绍了PEMFC某些部分的水运动和水分平衡情况，并简要解释了影响因素及变化规律。接着总结了当前研究中可用的PEMFC水管理优化策略，并提出了未来需要关注的研究方向。同时，我们还总结了研究中常用的检测流道和PEM中水分含量的方法。
流道基础
流道在PEMFC中发挥着重要作用，包括将反应气体（氢气和氧气）输送到反应部位，去除反应副产物（如热量和液态水），并为双极板内的气体传输提供通道[11]。需要注意的是，PEMFC中产生的电流主要由双极板和集电体收集，而非流道本身。
GDL的基本原理
在整个燃料电池中，GDL作为连接催化剂层和双极板的介质，同时为CL提供传输反应物的通道。GDL由基底层和微孔层组成，基底层通常采用碳纸或碳布制成。疏水剂有助于防止水分过度积聚，而微孔层则具有较大的孔隙结构，便于气体传输。
微孔层的基础
MPL作为CL和GDL之间的中间层，有效降低了CL与GDL之间的接触电阻，为CL提供机械支撑，限制催化剂对GDL的损伤，并减少CL与GDL之间的水淹现象。适当的MPL性能有助于液态水的均匀分布[65]。
催化剂层（CL）的基础
CL对燃料电池的性能至关重要。CL通常由催化剂（Pt/C）、聚合物电解质和纳米至微米级孔隙组成[86]。PEMFC内的电化学反应发生在CL上，阴极侧会产生水。CL中水分不足会导致离子导电性下降，阻碍反应物的接触。
质子交换膜（PEM）的基础
PEM是聚合物膜，最常用的材料是全氟磺酸（PSFA），位于膜电极的中心位置，负责质子迁移和传输的通道，同时分离气体反应物并阻挡电解质。PEM需要具备质子导电性、高热稳定性、机械稳定性和化学稳定性以及良好的耐用性。水分含量对PEM的质子导电性有显著影响。
总结与展望
本文系统回顾了PEMFC水管理研究的进展，深入分析了流道、GDL、MPL、CL和PEM这五个核心组件在水管理中的作用，以及影响水分含量的因素、水状态检测方法和优化策略。通过总结近年来在结构设计、材料改进和控制系统优化方面的研究成果，
作者贡献声明
杨晓：方法论研究。李少波：撰写——初稿。胡行军：可视化、方法论研究。姜天和：撰写——初稿。孙跃新：撰写——初稿。傅晓娴：撰写——初稿。张显珍：撰写——初稿。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了“外国专家引进计划”（G2021129008L）、“汽车模拟与控制国家重点实验室开放基金”（20210235）、“国家自然科学基金”（52202495、52202440）以及“吉林省科技发展计划项目”（20220508003RC）的支持。
