氫燃料電池鼓泡增濕技術研究

我國是世界上僅次于美國的第二大能源生產和消費國，隨著國內經濟的飛速發展，能源消費總量連續多年都位居世界前列。目前，我國仍以化石燃料為主要能源，因此環境持續惡化；經濟的飛速發展使得國內對能源的需求不斷增加，能源供應不足的矛盾也日益突出，因此，能源安全成為我國必須解決的戰略問題。氫燃料電池作為一種新型的清潔能源（汽車代用燃料），具有行進加速性良好、燃料補充快、低溫啟動性好、零排放、低噪音振動、全工況高效率等優點。發展氫燃料電池動力產業既是重要戰略發展機遇，也成為世界各發達國家研究的熱點課題之一。氫作為二次能源來源廣泛，可與多種可再生能源有機結合，發展氫燃料電池相關技術和產業，不僅有利于解決和補充我國常規能源供應不足的問題，而且有利于改善我國能源結構、保障能源安全、保護環境，走可持續發展之路。

近年來，國家和地方政府相繼出臺了一系列氫燃料電池產業相關政策與規劃，促進產業發展，

國內氫燃料電池產業已步入爆發期。因此，對于在氫燃料電池領域已具備一定技術積淀和工程經驗的研究機構來說，越早進行氫燃料電池技術商業化應用，就越有可能在急速擴張的市場中占據先機、越有利于自身技術資產的不斷迭代和更新。

質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Mem-brane Fuel Cell, PEMFC）的 Nation 膜或杜邦膜等質子膜中的質子傳導，需以水合形式進行。燃料電池發動機的介電常數質量和性能與其水元素含量密切相關。從某種角度來看，燃料電池質子膜的正常水狀態對于決定氫燃料電池的質量、性能和使用壽命起著不可或缺的作用。當質子膜的水合狀態過高時，會造成存在大量的液態水，從而使擴散層中質子傳輸速度降低，濃度惡化，并降低氫燃料電池的質量和性能；當質子膜的水合狀態過低時，質子膜反作用力會增大，氫燃料電池的工作效率會降低，嚴重時膜可能會破裂。因此，需要對進入氫燃料電池反應的氣體進行加濕，確保質子膜處于合適的水合狀態，從而保持較高的電導性能，使燃料電池穩定高效工作。目前PEMFC 加濕技術主要有自加濕、內部加濕和外部加濕等具體方法。自增濕不需要隔離獲取大量的水，借助電氧化還原反應形成的水和氫燃料電池內部結構、PEMFC 外部的大量水達到正常的平衡狀態；內部加濕控制裝置位于氫燃料電池內部，其水分能夠流入氫燃料電池；外部加濕應借助氫燃料電池外部的空氣加濕器對反應過程中的氣體進行加濕。常見的外部加濕方式有鼓泡加濕、水噴射加濕、焓輪加濕和膜加濕等。

1 鼓泡增濕原理

氣體加濕是指通過干燥的氣體與水蒸氣接觸，使氣體中的水蒸氣含量提高。在干燥氣體與

液體接觸的具體過程中，干燥氣體中可凝結水蒸氣的分壓趨于零，并且兩者之間存在可凝結水蒸氣的分壓 ΔP。在這種驅動力的作用下，液體表面的物理性質吸收干燥氣體或液體的熱量，并以氣態的形式進入干燥氣體成分中，從而使干燥氣體加濕。氣體中水含量和濕度是用單位質量的干燥氣體可凝結水蒸氣的質量表示。理想氣體的濕度可表示為

式中，H為絕對濕度，是在一定氣壓和環境溫度下，單位質量干燥氣體中可凝蒸氣所占的質量比例；M_V，M_d分別為可凝結水蒸氣和干燥氣體的摩爾質量，g/mol；p、p_V分別為濕氣的總壓和可凝蒸汽的分壓，kPa。

在一定的溫度和氣壓下，濕氣體中可凝結水蒸氣的分壓p_V與完全相同環境下可凝結水蒸氣的壓力p_s之比，稱為濕氣體的相對濕度，即

考慮到p_s隨著溫度的升高而提高，所以當p_v恒定時，相對濕度隨著溫度的升高而降低。從式（1）、式（2）組合來看，絕對濕度與相對濕度的關系為

當氣體中的可凝結水蒸氣達到飽和時，即φ=100%，此時氣體的濕度為飽和濕度。飽和濕度是總壓和環境溫度的復合函數，隨總壓的提高而降低，隨環境溫度升高而提高。

在空氣中水蒸氣含量恒定、大氣壓恒定的情況下，當溫度降低時，空氣中水蒸氣達到飽和的環境溫度稱為水露點溫度。露點溫度越低，空氣中含有的水分就越少。

2 鼓泡增濕技術

鼓泡是一種高效節能的強化傳質和傳熱過程的操作，傳質和傳熱依賴于氣體反應系統平衡狀態的基本工作原理，氣體通入液體中并逐漸產生氣泡，氣泡在液體中上升，并逐漸在氣液接觸面上形成中間區層。考慮到氣液兩相的溫差和分壓變化，能夠做到氣液反應系統的傳質和傳熱，操作具備的優點是設備簡單，操作易于控制，清洗更換更加方便快捷，能夠做到自動化，并且廣泛應用于化工、綠色環保等諸多領域。

鼓泡增濕是指在反應過程中借助可控制水溫的鼓泡器對氣體進行加濕，如圖1所示。加濕器的基本構成是一個容器，底部填充有一些玻璃珠。在反應過程中，氣體借助管道系統進入加濕器底部與玻璃珠接觸，玻璃珠能夠提高與氣體的接觸表面積。氣體與水在玻璃珠的表面起泡，以在反應過程中完成氣體的潤濕。然后借助加濕器頂部的另一個管道系統將接近飽和的氣體排出，如圖2所示。

圖1 鼓泡增濕示意圖

圖2 鼓泡增濕器結構簡圖

鼓泡增濕可通過調節加濕水的溫度、液面距離以及反應過程中氣體的流量來改變加濕效果，將滿足要求的氣體送入燃料電池。在一定的溫度下，加濕器中的水在蒸氣壓的作用下蒸發，并在反應過程中與氣體一起進入氫燃料電池。這可能取決于外部加濕器的溫度，加濕器控制溫度一定要比氫燃料電池的反應溫度高10~15℃，這樣質子膜才能更好地處于濕潤狀態，從而保持較高的質子膜傳導率。然而，在燃料電池反應的開始階段，由于燃料電池溫度不高，當高溫增濕氣體進入燃料電池時，接觸到相對較冷的界面，會有少量冷凝水而淹漬電極。隨著時間的推移氫燃料電池的溫度隨著時間的推移而升高，隨即水會蒸發。

綜合以上分析，鼓泡增濕的加濕效果很好，維護成本低，所需的設備、加工工藝簡單，比較容易實施，且操作簡單方便；其缺點是濕度與溫度難以精確控制，當PEMFC系統運行工況突然發生大幅變化時，加濕裝置不能及時跟隨，響應較慢；當流量很大時，容器中出現大量氣泡會帶出過多的液態水。目前小功率PEMFC系統多采用這種方式對反應過程中的氣體進行增濕，鼓泡增濕器實物如圖3所示。

圖3 鼓泡增濕器實物圖

3 鼓泡增濕控制方案

PEMFC的水平衡狀態是保證其正常穩定運行的最重要因素，含水量會阻礙氫燃料電池的工作質量和性能，因此，加濕控制在PEMFC系統的控制中不可或缺，需要保持燃料電池內適當的含水量，進一步提高和保護PEMFC的質量和性能有不可或缺意義。

本文介紹的鼓泡增濕控制要使其響應快速跟隨設定值的曲線，盡量不要有超調，且降低控制難度與成本。因此，選擇實現簡單、可靠性好的比例-積分-微分控制。燃料電池系統核心控制器判斷、處理實時采集各傳感器傳來的系統關鍵部件的工作狀態信息，并通過外圍驅動電路來控制相應的可執行部件，以保證鼓泡增濕按要求安全、正常地工作，鼓泡增濕控制如圖4所示。當核心控制器檢測到液位計處于非正常水狀態時，通過循環水泵的動力將膨脹水箱內的純凈水送入鼓泡增濕器；當液位計處于正常水狀態時，停止純凈水供水，通過氣體壓力變送器調節進入鼓泡增濕器氣體的壓力和流量。利用溫度控制器設置合理的加濕溫度以及進入燃料電池堆氣體的預熱溫度，從而達到控制進入燃料電池堆氣體的相對濕度與溫度的目的。通過溫濕度傳感器檢測燃料電池堆入口處氣體的露點溫度同溫度控制器設定的溫度進行比較，經模糊PID調節加熱過程中加熱裝置的實際功率，最終實現系統的恒溫加熱。反應時加熱氣體過程中溫度控制的基本工作原理與上述相同，鼓泡增濕溫度控制器如圖5所示。

圖4 鼓泡增濕控制結構示意圖

圖5 鼓泡增濕溫度控制器圖

燃料電池增濕控制主要通過系統各部分檢測的壓力、流量、溫度、濕度等參數，根據燃料電池系統的運行工況，調節鼓泡增濕溫度控制器，從而保證燃料電池堆入口處氣體保持在相對濕度及溫度，使燃料電池系統穩定高效工作。增濕控制系統主要控制溫度控制器，檢測氣體的壓力、流量、進堆前溫度、進堆前濕度等參數，增濕控制系統控制算法框圖如圖6所示。PEMFC系統設定濕度與輸出濕度之間的誤差、設定濕度與輸出濕度之間的誤差變化率與PID控制中三個參數K_P、K₁、K_D之間的模糊關系是鼓泡增濕控制的關鍵。經過模糊邏輯及模糊推理，引入模糊數學的方法建立設定值與反饋值之間的誤差絕對值、誤差變化率與經典PID三個參數間的二元連續函數關系，根據不同的設定值與反饋值之間的誤差絕對值和誤差變化率在線實時自整定K_P、K₁、K_D。并且在此基礎上增加燃料電池系統運行工況校正參數K_P同其他三個參數相并聯控制的方法，以加快控制系統的動態響應速度。

圖6 增濕控制系統控制算法框圖

將鼓泡增濕器集成到30kW氫氧燃料電池發電系統項目試驗臺架，鼓泡增濕器性能參數：溫度范圍為0~75℃、溫度控制精度為±2℃，分別對氫氣、氧氣進行增濕。當燃料電池發電系統在不同工況下（最大氫氣流量為0.47g/s、最大氧氣流量為3.72g/s）運行時，利用溫濕度傳感器對經過鼓泡增濕器后的氫氣、氧氣進行測量，結果顯示，均可將室溫條件下的氫氣、氧氣增溫到60~70℃、增濕到90%~100%，增溫增濕效果良好，保障了燃料電池發電系統正常、穩定、高效運行，后續30kW氫氧燃料電池發電系統項目順利通過驗收評審，臺架試驗現場如圖7所示。

4 結論

燃料電池進行增濕對于改善膜中的水分布，提高PEMFC燃料電池的性能至關重要，也是燃料電池長時間穩定運行、取得良好性能的關鍵。經臺架試驗驗證，鼓泡增濕設備簡單、工藝簡便，在小流量時能夠得到很高濕度，運用模糊PID控制策略自動調節增濕水溫，使增濕氣體的濕度與溫度達到特定要求，從而實現燃料電池的增濕控制。本研究為現階段行業針對燃料電池發動機的濕熱控制提供了借鑒，對燃料電池新能源汽車的發展及燃料電池性能提升具有較好的應用價值。

來源 | 胡朝陽，聶帥，氫燃料電池鼓泡增濕技術研究[J].汽車實用技術

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