氢燃料电池鼓泡增湿技术研究

我国是世界上仅次于美国的第二大能源生产和消费国，随着国内经济的飞速发展，能源消费总量连续多年都位居世界前列。目前，我国仍以化石燃料为主要能源，因此环境持续恶化；经济的飞速发展使得国内对能源的需求不断增加，能源供应不足的矛盾也日益突出，因此，能源安全成为我国必须解决的战略问题。氢燃料电池作为一种新型的清洁能源（汽车代用燃料），具有行进加速性良好、燃料补充快、低温启动性好、零排放、低噪音振动、全工况高效率等优点。发展氢燃料电池动力产业既是重要战略发展机遇，也成为世界各发达国家研究的热点课题之一。氢作为二次能源来源广泛，可与多种可再生能源有机结合，发展氢燃料电池相关技术和产业，不仅有利于解决和补充我国常规能源供应不足的问题，而且有利于改善我国能源结构、保障能源安全、保护环境，走可持续发展之路。

近年来，国家和地方政府相继出台了一系列氢燃料电池产业相关政策与规划，促进产业发展，

国内氢燃料电池产业已步入爆发期。因此，对于在氢燃料电池领域已具备一定技术积淀和工程经验的研究机构来说，越早进行氢燃料电池技术商业化应用，就越有可能在急速扩张的市场中占据先机、越有利于自身技术资产的不断迭代和更新。

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Mem-brane Fuel Cell, PEMFC）的 Nation 膜或杜邦膜等质子膜中的质子传导，需以水合形式进行。燃料电池发动机的介电常数质量和性能与其水元素含量密切相关。从某种角度来看，燃料电池质子膜的正常水状态对于决定氢燃料电池的质量、性能和使用寿命起着不可或缺的作用。当质子膜的水合状态过高时，会造成存在大量的液态水，从而使扩散层中质子传输速度降低，浓度恶化，并降低氢燃料电池的质量和性能；当质子膜的水合状态过低时，质子膜反作用力会增大，氢燃料电池的工作效率会降低，严重时膜可能会破裂。因此，需要对进入氢燃料电池反应的气体进行加湿，确保质子膜处于合适的水合状态，从而保持较高的电导性能，使燃料电池稳定高效工作。目前PEMFC 加湿技术主要有自加湿、内部加湿和外部加湿等具体方法。自增湿不需要隔离获取大量的水，借助电氧化还原反应形成的水和氢燃料电池内部结构、PEMFC 外部的大量水达到正常的平衡状态；内部加湿控制装置位于氢燃料电池内部，其水分能够流入氢燃料电池；外部加湿应借助氢燃料电池外部的空气加湿器对反应过程中的气体进行加湿。常见的外部加湿方式有鼓泡加湿、水喷射加湿、焓轮加湿和膜加湿等。

1 鼓泡增湿原理

气体加湿是指通过干燥的气体与水蒸气接触，使气体中的水蒸气含量提高。在干燥气体与

液体接触的具体过程中，干燥气体中可凝结水蒸气的分压趋于零，并且两者之间存在可凝结水蒸气的分压 ΔP。在这种驱动力的作用下，液体表面的物理性质吸收干燥气体或液体的热量，并以气态的形式进入干燥气体成分中，从而使干燥气体加湿。气体中水含量和湿度是用单位质量的干燥气体可凝结水蒸气的质量表示。理想气体的湿度可表示为

式中，H为绝对湿度，是在一定气压和环境温度下，单位质量干燥气体中可凝蒸气所占的质量比例；M_V，M_d分别为可凝结水蒸气和干燥气体的摩尔质量，g/mol；p、p_V分别为湿气的总压和可凝蒸汽的分压，kPa。

在一定的温度和气压下，湿气体中可凝结水蒸气的分压p_V与完全相同环境下可凝结水蒸气的压力p_s之比，称为湿气体的相对湿度，即

考虑到p_s随着温度的升高而提高，所以当p_v恒定时，相对湿度随着温度的升高而降低。从式（1）、式（2）组合来看，绝对湿度与相对湿度的关系为

当气体中的可凝结水蒸气达到饱和时，即φ=100%，此时气体的湿度为饱和湿度。饱和湿度是总压和环境温度的复合函数，随总压的提高而降低，随环境温度升高而提高。

在空气中水蒸气含量恒定、大气压恒定的情况下，当温度降低时，空气中水蒸气达到饱和的环境温度称为水露点温度。露点温度越低，空气中含有的水分就越少。

2 鼓泡增湿技术

鼓泡是一种高效节能的强化传质和传热过程的操作，传质和传热依赖于气体反应系统平衡状态的基本工作原理，气体通入液体中并逐渐产生气泡，气泡在液体中上升，并逐渐在气液接触面上形成中间区层。考虑到气液两相的温差和分压变化，能够做到气液反应系统的传质和传热，操作具备的优点是设备简单，操作易于控制，清洗更换更加方便快捷，能够做到自动化，并且广泛应用于化工、绿色环保等诸多领域。

鼓泡增湿是指在反应过程中借助可控制水温的鼓泡器对气体进行加湿，如图1所示。加湿器的基本构成是一个容器，底部填充有一些玻璃珠。在反应过程中，气体借助管道系统进入加湿器底部与玻璃珠接触，玻璃珠能够提高与气体的接触表面积。气体与水在玻璃珠的表面起泡，以在反应过程中完成气体的润湿。然后借助加湿器顶部的另一个管道系统将接近饱和的气体排出，如图2所示。

图1 鼓泡增湿示意图

图2 鼓泡增湿器结构简图

鼓泡增湿可通过调节加湿水的温度、液面距离以及反应过程中气体的流量来改变加湿效果，将满足要求的气体送入燃料电池。在一定的温度下，加湿器中的水在蒸气压的作用下蒸发，并在反应过程中与气体一起进入氢燃料电池。这可能取决于外部加湿器的温度，加湿器控制温度一定要比氢燃料电池的反应温度高10~15℃，这样质子膜才能更好地处于湿润状态，从而保持较高的质子膜传导率。然而，在燃料电池反应的开始阶段，由于燃料电池温度不高，当高温增湿气体进入燃料电池时，接触到相对较冷的界面，会有少量冷凝水而淹渍电极。随着时间的推移氢燃料电池的温度随着时间的推移而升高，随即水会蒸发。

综合以上分析，鼓泡增湿的加湿效果很好，维护成本低，所需的设备、加工工艺简单，比较容易实施，且操作简单方便；其缺点是湿度与温度难以精确控制，当PEMFC系统运行工况突然发生大幅变化时，加湿装置不能及时跟随，响应较慢；当流量很大时，容器中出现大量气泡会带出过多的液态水。目前小功率PEMFC系统多采用这种方式对反应过程中的气体进行增湿，鼓泡增湿器实物如图3所示。

图3 鼓泡增湿器实物图

3 鼓泡增湿控制方案

PEMFC的水平衡状态是保证其正常稳定运行的最重要因素，含水量会阻碍氢燃料电池的工作质量和性能，因此，加湿控制在PEMFC系统的控制中不可或缺，需要保持燃料电池内适当的含水量，进一步提高和保护PEMFC的质量和性能有不可或缺意义。

本文介绍的鼓泡增湿控制要使其响应快速跟随设定值的曲线，尽量不要有超调，且降低控制难度与成本。因此，选择实现简单、可靠性好的比例-积分-微分控制。燃料电池系统核心控制器判断、处理实时采集各传感器传来的系统关键部件的工作状态信息，并通过外围驱动电路来控制相应的可执行部件，以保证鼓泡增湿按要求安全、正常地工作，鼓泡增湿控制如图4所示。当核心控制器检测到液位计处于非正常水状态时，通过循环水泵的动力将膨胀水箱内的纯净水送入鼓泡增湿器；当液位计处于正常水状态时，停止纯净水供水，通过气体压力变送器调节进入鼓泡增湿器气体的压力和流量。利用温度控制器设置合理的加湿温度以及进入燃料电池堆气体的预热温度，从而达到控制进入燃料电池堆气体的相对湿度与温度的目的。通过温湿度传感器检测燃料电池堆入口处气体的露点温度同温度控制器设定的温度进行比较，经模糊PID调节加热过程中加热装置的实际功率，最终实现系统的恒温加热。反应时加热气体过程中温度控制的基本工作原理与上述相同，鼓泡增湿温度控制器如图5所示。

图4 鼓泡增湿控制结构示意图

图5 鼓泡增湿温度控制器图

燃料电池增湿控制主要通过系统各部分检测的压力、流量、温度、湿度等参数，根据燃料电池系统的运行工况，调节鼓泡增湿温度控制器，从而保证燃料电池堆入口处气体保持在相对湿度及温度，使燃料电池系统稳定高效工作。增湿控制系统主要控制温度控制器，检测气体的压力、流量、进堆前温度、进堆前湿度等参数，增湿控制系统控制算法框图如图6所示。PEMFC系统设定湿度与输出湿度之间的误差、设定湿度与输出湿度之间的误差变化率与PID控制中三个参数K_P、K₁、K_D之间的模糊关系是鼓泡增湿控制的关键。经过模糊逻辑及模糊推理，引入模糊数学的方法建立设定值与反馈值之间的误差绝对值、误差变化率与经典PID三个参数间的二元连续函数关系，根据不同的设定值与反馈值之间的误差绝对值和误差变化率在线实时自整定K_P、K₁、K_D。并且在此基础上增加燃料电池系统运行工况校正参数K_P同其他三个参数相并联控制的方法，以加快控制系统的动态响应速度。

图6 增湿控制系统控制算法框图

将鼓泡增湿器集成到30kW氢氧燃料电池发电系统项目试验台架，鼓泡增湿器性能参数：温度范围为0~75℃、温度控制精度为±2℃，分别对氢气、氧气进行增湿。当燃料电池发电系统在不同工况下（最大氢气流量为0.47g/s、最大氧气流量为3.72g/s）运行时，利用温湿度传感器对经过鼓泡增湿器后的氢气、氧气进行测量，结果显示，均可将室温条件下的氢气、氧气增温到60~70℃、增湿到90%~100%，增温增湿效果良好，保障了燃料电池发电系统正常、稳定、高效运行，后续30kW氢氧燃料电池发电系统项目顺利通过验收评审，台架试验现场如图7所示。

4 结论

燃料电池进行增湿对于改善膜中的水分布，提高PEMFC燃料电池的性能至关重要，也是燃料电池长时间稳定运行、取得良好性能的关键。经台架试验验证，鼓泡增湿设备简单、工艺简便，在小流量时能够得到很高湿度，运用模糊PID控制策略自动调节增湿水温，使增湿气体的湿度与温度达到特定要求，从而实现燃料电池的增湿控制。本研究为现阶段行业针对燃料电池发动机的湿热控制提供了借鉴，对燃料电池新能源汽车的发展及燃料电池性能提升具有较好的应用价值。

来源 | 胡朝阳，聂帅，氢燃料电池鼓泡增湿技术研究[J].汽车实用技术

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