我國(guó)是世界上僅次于美國(guó)的第二大能源生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源消費(fèi)總量連續(xù)多年都位居世界前列。目前，我國(guó)仍以化石燃料為主要能源，因此環(huán)境持續(xù)惡化；經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展使得國(guó)內(nèi)對(duì)能源的需求不斷增加，能源供應(yīng)不足的矛盾也日益突出，因此，能源安全成為我國(guó)必須解決的戰(zhàn)略問(wèn)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(jìn)加速性良好、燃料補(bǔ)充快、低溫啟動(dòng)性好、零排放、低噪音振動(dòng)、全工況高效率等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)展氫燃料電池動(dòng)力產(chǎn)業(yè)既是重要戰(zhàn)略發(fā)展機(jī)遇，也成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家研究的熱點(diǎn)課題之一。氫作為二次能源來(lái)源廣泛，可與多種可再生能源有機(jī)結(jié)合，發(fā)展氫燃料電池相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，不僅有利于解決和補(bǔ)充我國(guó)常規(guī)能源供應(yīng)不足的問(wèn)題，而且有利于改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、保護(hù)環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展之路。

近年來(lái)，國(guó)家和地方政府相繼出臺(tái)了一系列氫燃料電池產(chǎn)業(yè)相關(guān)政策與規(guī)劃，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，

國(guó)內(nèi)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)已步入爆發(fā)期。因此，對(duì)于在氫燃料電池領(lǐng)域已具備一定技術(shù)積淀和工程經(jīng)驗(yàn)的研究機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，越早進(jìn)行氫燃料電池技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用，就越有可能在急速擴(kuò)張的市場(chǎng)中占據(jù)先機(jī)、越有利于自身技術(shù)資產(chǎn)的不斷迭代和更新。

質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Mem-brane Fuel Cell, PEMFC）的 Nation 膜或杜邦膜等質(zhì)子膜中的質(zhì)子傳導(dǎo)，需以水合形式進(jìn)行。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的介電常數(shù)質(zhì)量和性能與其水元素含量密切相關(guān)。從某種角度來(lái)看，燃料電池質(zhì)子膜的正常水狀態(tài)對(duì)于決定氫燃料電池的質(zhì)量、性能和使用壽命起著不可或缺的作用。當(dāng)質(zhì)子膜的水合狀態(tài)過(guò)高時(shí)，會(huì)造成存在大量的液態(tài)水，從而使擴(kuò)散層中質(zhì)子傳輸速度降低，濃度惡化，并降低氫燃料電池的質(zhì)量和性能；當(dāng)質(zhì)子膜的水合狀態(tài)過(guò)低時(shí)，質(zhì)子膜反作用力會(huì)增大，氫燃料電池的工作效率會(huì)降低，嚴(yán)重時(shí)膜可能會(huì)破裂。因此，需要對(duì)進(jìn)入氫燃料電池反應(yīng)的氣體進(jìn)行加濕，確保質(zhì)子膜處于合適的水合狀態(tài)，從而保持較高的電導(dǎo)性能，使燃料電池穩(wěn)定高效工作。目前PEMFC 加濕技術(shù)主要有自加濕、內(nèi)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(yīng)形成的水和氫燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、PEMFC 外部的大量水達(dá)到正常的平衡狀態(tài)；內(nèi)部加濕控制裝置位于氫燃料電池內(nèi)部，其水分能夠流入氫燃料電池；外部加濕應(yīng)借助氫燃料電池外部的空氣加濕器對(duì)反應(yīng)過(guò)程中的氣體進(jìn)行加濕。常見(jiàn)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(guò)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(guò)程中，干燥氣體中可凝結(jié)水蒸氣的分壓趨于零，并且兩者之間存在可凝結(jié)水蒸氣的分壓 ΔP。在這種驅(qū)動(dòng)力的作用下，液體表面的物理性質(zhì)吸收干燥氣體或液體的熱量，并以氣態(tài)的形式進(jìn)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(zhì)量的干燥氣體可凝結(jié)水蒸氣的質(zhì)量表示。理想氣體的濕度可表示為

式中，H為絕對(duì)濕度，是在一定氣壓和環(huán)境溫度下，單位質(zhì)量干燥氣體中可凝蒸氣所占的質(zhì)量比例；M_V，M_d分別為可凝結(jié)水蒸氣和干燥氣體的摩爾質(zhì)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(jié)水蒸氣的分壓p_V與完全相同環(huán)境下可凝結(jié)水蒸氣的壓力p_s之比，稱為濕氣體的相對(duì)濕度，即

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

當(dāng)氣體中的可凝結(jié)水蒸氣達(dá)到飽和時(shí)，即φ=100%，此時(shí)氣體的濕度為飽和濕度。飽和濕度是總壓和環(huán)境溫度的復(fù)合函數(shù)，隨總壓的提高而降低，隨環(huán)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(dāng)溫度降低時(shí)，空氣中水蒸氣達(dá)到飽和的環(huán)境溫度稱為水露點(diǎn)溫度。露點(diǎn)溫度越低，空氣中含有的水分就越少。

2 鼓泡增濕技術(shù)

鼓泡是一種高效節(jié)能的強(qiáng)化傳質(zhì)和傳熱過(guò)程的操作，傳質(zhì)和傳熱依賴于氣體反應(yīng)系統(tǒng)平衡狀態(tài)的基本工作原理，氣體通入液體中并逐漸產(chǎn)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(qū)層。考慮到氣液兩相的溫差和分壓變化，能夠做到氣液反應(yīng)系統(tǒng)的傳質(zhì)和傳熱，操作具備的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，操作易于控制，清洗更換更加方便快捷，能夠做到自動(dòng)化，并且廣泛應(yīng)用于化工、綠色環(huán)保等諸多領(lǐng)域。

鼓泡增濕是指在反應(yīng)過(guò)程中借助可控制水溫的鼓泡器對(duì)氣體進(jìn)行加濕，如圖1所示。加濕器的基本構(gòu)成是一個(gè)容器，底部填充有一些玻璃珠。在反應(yīng)過(guò)程中，氣體借助管道系統(tǒng)進(jìn)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(yīng)過(guò)程中完成氣體的潤(rùn)濕。然后借助加濕器頂部的另一個(gè)管道系統(tǒng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

鼓泡增濕可通過(guò)調(diào)節(jié)加濕水的溫度、液面距離以及反應(yīng)過(guò)程中氣體的流量來(lái)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(fā)，并在反應(yīng)過(guò)程中與氣體一起進(jìn)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(yīng)溫度高10~15℃，這樣質(zhì)子膜才能更好地處于濕潤(rùn)狀態(tài)，從而保持較高的質(zhì)子膜傳導(dǎo)率。然而，在燃料電池反應(yīng)的開(kāi)始階段，由于燃料電池溫度不高，當(dāng)高溫增濕氣體進(jìn)入燃料電池時(shí)，接觸到相對(duì)較冷的界面，會(huì)有少量冷凝水而淹漬電極。隨著時(shí)間的推移氫燃料電池的溫度隨著時(shí)間的推移而升高，隨即水會(huì)蒸發(fā)。

綜合以上分析，鼓泡增濕的加濕效果很好，維護(hù)成本低，所需的設(shè)備、加工工藝簡(jiǎn)單，比較容易實(shí)施，且操作簡(jiǎn)單方便；其缺點(diǎn)是濕度與溫度難以精確控制，當(dāng)PEMFC系統(tǒng)運(yùn)行工況突然發(fā)生大幅變化時(shí)，加濕裝置不能及時(shí)跟隨，響應(yīng)較慢；當(dāng)流量很大時(shí)，容器中出現(xiàn)大量氣泡會(huì)帶出過(guò)多的液態(tài)水。目前小功率PEMFC系統(tǒng)多采用這種方式對(duì)反應(yīng)過(guò)程中的氣體進(jìn)行增濕，鼓泡增濕器實(shí)物如圖3所示。

圖3 鼓泡增濕器實(shí)物圖

3 鼓泡增濕控制方案

PEMFC的水平衡狀態(tài)是保證其正常穩(wěn)定運(yùn)行的最重要因素，含水量會(huì)阻礙氫燃料電池的工作質(zhì)量和性能，因此，加濕控制在PEMFC系統(tǒng)的控制中不可或缺，需要保持燃料電池內(nèi)適當(dāng)?shù)暮浚M(jìn)一步提高和保護(hù)PEMFC的質(zhì)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(yīng)快速跟隨設(shè)定值的曲線，盡量不要有超調(diào)，且降低控制難度與成本。因此，選擇實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠性好的比例-積分-微分控制。燃料電池系統(tǒng)核心控制器判斷、處理實(shí)時(shí)采集各傳感器傳來(lái)的系統(tǒng)關(guān)鍵部件的工作狀態(tài)信息，并通過(guò)外圍驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制相應(yīng)的可執(zhí)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(dāng)核心控制器檢測(cè)到液位計(jì)處于非正常水狀態(tài)時(shí)，通過(guò)循環(huán)水泵的動(dòng)力將膨脹水箱內(nèi)的純凈水送入鼓泡增濕器；當(dāng)液位計(jì)處于正常水狀態(tài)時(shí)，停止純凈水供水，通過(guò)氣體壓力變送器調(diào)節(jié)進(jìn)入鼓泡增濕器氣體的壓力和流量。利用溫度控制器設(shè)置合理的加濕溫度以及進(jìn)入燃料電池堆氣體的預(yù)熱溫度，從而達(dá)到控制進(jìn)入燃料電池堆氣體的相對(duì)濕度與溫度的目的。通過(guò)溫濕度傳感器檢測(cè)燃料電池堆入口處氣體的露點(diǎn)溫度同溫度控制器設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，經(jīng)模糊PID調(diào)節(jié)加熱過(guò)程中加熱裝置的實(shí)際功率，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒溫加熱。反應(yīng)時(shí)加熱氣體過(guò)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(jié)構(gòu)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(guò)系統(tǒng)各部分檢測(cè)的壓力、流量、溫度、濕度等參數(shù)，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行工況，調(diào)節(jié)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(duì)濕度及溫度，使燃料電池系統(tǒng)穩(wěn)定高效工作。增濕控制系統(tǒng)主要控制溫度控制器，檢測(cè)氣體的壓力、流量、進(jìn)堆前溫度、進(jìn)堆前濕度等參數(shù)，增濕控制系統(tǒng)控制算法框圖如圖6所示。PEMFC系統(tǒng)設(shè)定濕度與輸出濕度之間的誤差、設(shè)定濕度與輸出濕度之間的誤差變化率與PID控制中三個(gè)參數(shù)K_P、K₁、K_D之間的模糊關(guān)系是鼓泡增濕控制的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)模糊邏輯及模糊推理，引入模糊數(shù)學(xué)的方法建立設(shè)定值與反饋值之間的誤差絕對(duì)值、誤差變化率與經(jīng)典PID三個(gè)參數(shù)間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系，根據(jù)不同的設(shè)定值與反饋值之間的誤差絕對(duì)值和誤差變化率在線實(shí)時(shí)自整定K_P、K₁、K_D。并且在此基礎(chǔ)上增加燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行工況校正參數(shù)K_P同其他三個(gè)參數(shù)相并聯(lián)控制的方法，以加快控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

圖6 增濕控制系統(tǒng)控制算法框圖

將鼓泡增濕器集成到30kW氫氧燃料電池發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目試驗(yàn)臺(tái)架，鼓泡增濕器性能參數(shù)：溫度范圍為0~75℃、溫度控制精度為±2℃，分別對(duì)氫氣、氧氣進(jìn)行增濕。當(dāng)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)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(yùn)行時(shí)，利用溫濕度傳感器對(duì)經(jīng)過(guò)鼓泡增濕器后的氫氣、氧氣進(jìn)行測(cè)量，結(jié)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(fā)電系統(tǒng)正常、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，后續(xù)30kW氫氧燃料電池發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目順利通過(guò)驗(yàn)收評(píng)審，臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

4 結(jié)論

燃料電池進(jìn)行增濕對(duì)于改善膜中的水分布，提高PEMFC燃料電池的性能至關(guān)重要，也是燃料電池長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行、取得良好性能的關(guān)鍵。經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，鼓泡增濕設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝簡(jiǎn)便，在小流量時(shí)能夠得到很高濕度，運(yùn)用模糊PID控制策略自動(dòng)調(diào)節(jié)增濕水溫，使增濕氣體的濕度與溫度達(dá)到特定要求，從而實(shí)現(xiàn)燃料電池的增濕控制。本研究為現(xiàn)階段行業(yè)針對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的濕熱控制提供了借鑒，對(duì)燃料電池新能源汽車的發(fā)展及燃料電池性能提升具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

來(lái)源 | 胡朝陽(yáng)，聶帥，氫燃料電池鼓泡增濕技術(shù)研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)

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