常壓燃料電池系統膜增濕器與焓輪增濕器性能比較

程良獎，李保群，曾 宏

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

常壓燃料電池系統膜增濕器與焓輪增濕器性能比較

程良獎，李保群，曾 宏

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

為比較用于大功率燃料電池系統的膜增濕器和焓輪增濕器性能，基于一維擴散方程建立了膜增濕器性能分析模型，基于表面擴散方程建立了焓輪增濕器性能分析模型，模擬了各操作參數對二者性能的影響，模擬結果與實驗數據符合良好。分析表明，低空氣流量、高進氣溫度和高轉輪轉速有利于提高焓輪增濕器表面擴散系數，膜增濕器內水含量梯度隨空氣流量增加而減小并在進氣溫度約40℃時達到最小值;焓輪增濕器動態響應能力優于膜增濕器。

膜增濕器;焓輪增濕器;常壓;燃料電池系統

0 引言

水熱管理是質子交換膜燃料電池系統集成和優化設計的關鍵技術之一，保持膜的適當濕度將保證質子在膜內的傳遞能力。空氣進氣需要被增濕以防止膜干涸，外增濕方式通常被應用于大功率燃料電池系統。低壓系統中，膜增濕器和焓輪增濕器可以高效回收利用陰極廢氣中的水和熱，應用于外增濕系統將顯著提高燃料電池系統效率。

當前，燃料電池堆增濕系統的研究多應用集總參數法分析增濕器性能［1－2］，沒有考慮增濕器內水傳遞過程，無法有效揭示操作參數對增濕性能影響的機理，建立適宜于全系統優化設計的整體仿真平臺需要分析部件過程對系統整體性能的影響。

為從本質上對膜增濕器和焓輪增濕器性能進行比較分析，基于一維水傳遞過程方程建立了膜增濕器性能分析模型，基于表面水擴散過程方程建立了焓輪增濕器性能分析模型。根據模型比較分析了各操作參數對增濕器性能的影響，模擬結果與實驗數據符合良好。基于模型分析了其影響機理，預測比較了增濕器動態響應能力。

1 膜增濕器和焓輪增濕器模型

1.1 膜增濕器模型

膜增濕器中膜內水傳遞過程由一維擴散方程描述：

式中：

忽略空氣進氣中的水蒸氣，有

認為用于增濕的濕空氣為飽和濕空氣，其水活度為1。對式(4)沿膜厚度方向積分得到被增濕后空氣的溫度和水活度的關系。

以上方程中，膜內水擴散系數反應了空氣流量、壓力和溫度等操作條件的影響，表達式如下：

其中，α和β為與增濕器結構和材料有關的系數。

1.2 焓輪增濕器模型

焓輪增濕器轉輪旋轉時，濕空氣中的飽和水在焓輪表面向干空氣擴散，增濕器中水傳遞過程由表面擴散方程描述：

轉輪轉速很低，旋轉周期大于1 s，而空氣通過焓輪增濕器耗時小于0.1 s。因此，可以假設空氣在焓輪增濕器內性質均勻，以焓輪旋轉周期作為過程計算時間。

K為與增濕器結構和材料有關的系數，與膜增濕器模型中D的定義相類似，本模型中K反映了操作條件的影響。

其中，nr為參考轉速，本文中為10 r/min。

2 結果與討論

基于以上模型對膜增濕器和焓輪增濕器性能進行了模擬分析并將模擬結果與實驗數據進行了對比。詳細分析了操作參數對膜增濕器中膜兩側水含量梯度和膜內水擴散系數的影響及其對焓輪增濕器轉輪表面擴散系數K的影響。

2.1 膜增濕器和焓輪增濕器參數化分析

干空氣進氣溫度和流量對增濕器性能具有決定性的影響。膜增濕器額定流量為0.046 kg/s，可滿足35 kW燃料電池堆陰極進氣需求。本文研究的焓輪增濕器額定流量為0.024 kg/s。燃料電池陰極廢氣通常約為65℃飽和濕空氣，實驗中，焓輪增濕器濕空氣溫度約比膜增濕器高5℃。用露點溫度差作為描述增濕器性能的指標。

膜增濕器模型參數見表1。

表1 模型基本參數Tab．1 Basic parameters of the model

2.1.1 空氣流量對增濕器性能的影響

空氣流量對膜增濕器和焓輪增濕器性能的影響分別見圖1和圖2。

圖中描述了空氣進氣溫度分別為39℃和25℃時空氣流量對膜增濕器性能的影響。空氣流量低于46 g/s時，焓輪增濕器增濕后空氣與飽和濕空氣露點差約為膜增濕器的2倍，增大空氣流量對焓輪增濕器性能的負面影響遠大于其對膜增濕性能的影響。

燃料電池堆溫度通常與排氣溫度相當，在此工作條件下，應用膜增濕器和焓輪增濕器回收陰極廢氣對空氣進行分別最低可以獲得65%和73%的相對濕度。焓輪增濕器工作溫度比膜增濕器工作溫度高5℃引起焓輪增濕器露點溫度差大而相對濕度高。通常認為陰極進氣增濕相對濕度應為60%～90%［3］。

2.1.2 空氣進氣溫度對增濕器性能的影響

干空氣進氣溫度對增濕器和焓輪增濕器性能的影響見圖2和圖4，空氣流量均為額定值。由圖3可知，空氣進氣溫度約為40℃時焓輪增濕器獲得最優性能。由圖4可知，焓輪增濕器性能隨空氣溫度升高而下降，空氣溫度高于70℃后，露點溫度差迅速降低，空氣溫度為80℃時，露點溫度差為13.2℃，相對濕度為55%。空氣進氣溫度為70℃時，應用膜增濕器和焓輪增濕器可獲得陰極進氣相對濕度分別為60%和64%。

2.1.3 其他參數的影響

干空氣與濕空氣質量流量比對膜增濕器性能的影響如圖5所示，空氣進氣溫度為52℃時，干濕空氣流量比由約0.5增大到1過程中，露點溫度差由12℃下降到9℃，增濕后進氣相對濕度由57%增大到66%;進氣溫度為39℃時，露點溫度差比52℃時約低1℃，干濕空氣流量比大于0.85后，膜增濕器性能基本不變。

轉輪轉速對焓輪增濕器性能的影響如圖6所示，轉速增大，露點溫度差降低，空氣流量低于60%額定值時焓輪增濕器性能基本相同，額定流量條件下，轉速為40 r/min對應露點溫度差為7℃，轉速為10 r/min時，露點溫度差為12℃。

2.2 討論

模擬分析結果與實驗數據吻合良好，根據模型進一步研究各操作參數對膜增濕器性能影響的機制。操作參數對膜兩側水含量梯度Δλ的影響見圖7。進氣溫度高于40℃時Δλ基本不變，空氣流量增大時，水傳遞通量增大引起Δλ迅速增大，膜兩側相對濕度差變大，膜增濕器性能下降。

圖7 操作參數對Δλ的影響Fig．7 Effect of operating parameters on Δλ

操作參數對膜內水擴散系數的影響見圖8。擴散系數隨空氣進氣溫度升高基本按照線性增大，高流量時，空氣流量增大對擴散系數的影響不如低流量時明顯。

隨空氣流量增大，Δλ增大對膜增濕器性能的負面影響比擴散系數增大對增濕器性能的正面影響更為顯著。因此，空氣流量增大引起膜增濕器性能下降。

操作參數對焓輪增濕器性能的影響如圖9和圖10所示。轉輪轉速升高，表面水脫附和吸附速度增大，K增大。空氣進氣溫度對K的影響較不顯著，尤其是在高于65℃時基本無影響，這可能是因為高溫時傳質和傳熱方向的不一致降低了傳質效率。

常壓燃料電池系統中，鼓風機出口空氣壓力變化時，空氣流量能迅速響應達到穩定值，而空氣溫度達到穩定值則大為滯后。溫度的動態響應特性決定了系統整體的動態響應能力［4］，根據模型預測，空氣進氣溫度對焓輪增濕器性能的影響不如對膜增濕器性能的影響明顯，焓輪增濕器的動態響應能力將優于膜增濕器。

3 結語

基于一維擴散方程建立了膜增濕器模型，基于表面擴散方程建立了焓輪增濕器模型，并應用模型對增濕器性能進行了分析，模擬結果與實驗數據吻合良好。膜增濕器在空氣進氣溫度約40℃時獲得最優性能。根據模型研究了操作參數對增濕器性能影響的機制，空氣流量增大，膜兩側水含量梯度增大對膜增濕器性能的負面影響比擴散系數增大對膜增濕器性能的正面影響更具決定性。焓輪增濕器在高轉速低進氣溫度條件下獲得高性能。焓輪增濕器動態響應能力優于膜增濕器。

［1］RAJALAKSHMI N，SRIDHAR P，DHATHATHREYAN K S．Identification and characterization of parameters for external humidification used in polymer electrolyte membrane fuel cells［J］．Journal of Power Sources，2002，109(2)：452－457．

［2］CHEN Dong-mei，PENG Hui ．A thermodynamic model of membrane humidifiers for PEM fuel cell humidification control［J］．Journal of Dynamic Systems，Measurement，and Control，2005，27(9)：424 －432．

［3］EVANS J P．Experimental evaluation of the effect of inlet gas humidification on fuel cell performance［D］．MS．Thesis．Michael W．Ellis．Blacksburg，Virginia：Virginia Tech，2003.1－101．

［4］STEFANOPOULOU A G，SUH Kyung-won．Mechatronics in fuel cell systems［J］．Control Engineering Practice，2007，15(3)：277－289．

Comparative study of membrane humidifier and enthalpy wheel humidifier in low pressure fuel cell systems

CHENG Liang-jiang，LI Bao-qun，ZENG Hong
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China)

Performance of membrane humidifier and enthalpy wheel humidifier in low pressure fuel cell system is compared simultaneously．Membrane humidifier model is developed based on one dimensional diffusion equation and enthalpy wheel humidifier model is developed based on surface diffusion equation．Effects of operating parameters on humidifiers performance are simulated and the results agree well with experimental data．It is found low air mass flow rate，high air intake temperature and high wheel speed enhance surface water diffusion coefficient in enthalpy wheel humidifier．Water content gradient in membrane humidifier gets lower as air mass flow rate gets larger and it reaches the lowest value while air intake temperature is around 40℃．Transient performance of enthalpy wheel humidifier would be better than that of membrane humidifier．

membrane humidifier;enthalpy wheel humidifier;low pressure;fuel cell system

TM911．4

A

1672－7649(2012)07－0072－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.015

2011－09－05;

2011－10－26

程良獎(1980－)，男，工程師，從事船舶動力裝置與系統設計。