PEMFC 氣體加濕網格化控制

雷梟，丁小松

（1.中國電器科學研究院股份有限公司，廣州 510860； 2.廣州擎天實業有限公司，廣州 510860）

引言

PEMFC 作為解決世界能源與污染問題新的發展方向，其研究及應用突破不斷[1-3]。燃料電池反應氣加濕是保證電池正常、高效運行不可缺的一項重要處理流程，是影響燃料電池效率和性能的關鍵環節。如何實現反應氣的快速加濕，大范圍流量濕度簡便可控，本文利用PEMFC 運行原理，通過氣體加濕回路改造，設計了一種網格型控制策略，實現了氣體加濕的簡便廣度控制。

1 加濕必要性及存在問題

PEMFC 膜的導電性能強烈依賴其含水量[4]，膜電阻與其水飽和度正相關。如果生成水與加濕水之和小于電池的排水量，則質子膜脫水，使電池內阻增大，電壓減低；而生成水與加濕水之和大于排出水，則電極被淹，影響氣體擴散，使電池性能減低，甚至導致電池無法工作[4，5]。為使電池具有良好的性能，必須設法使質子膜始終保持濕潤狀態[6]，而電極又不被淹，維持電池內的水平衡。

假電池增濕增加了電池的成本、體積和重量，并且系統復雜。鼓泡增濕濕度難以精確控制[7]，且大流量時液態水帶出過多，易堵塞氣體流場，引起液態水凝聚，導致傳質過程受阻，使反應氣通過氣體擴散層的速度減低，惡劣情況甚至會淹沒催化劑的活化點。滲透膜簡單，但其水的擴散通量固化受限，大范圍適應能力差，可靠性不佳不適宜長時間使用[8]，且價格昂貴；焓輪增濕系統不僅質量大，且不易密封，尾氣易返混。自增濕現階段適用功率范圍小，且電池組體積、重量、結構設計龐雜[7]。

2 加濕回路改造及控制策略

如何實現反應氣的快速加濕，同時使PEMFC 堆運行系統簡單、維護簡便、運行可靠。PEMFC 電堆運行系統如圖1 所示，PEMFC 堆運行時換熱/加濕器能同時將反應氣溫度升高、濕度增加，經質子膜轉換后，剩余濕潤反應氣攜帶反應生成水排出。因PEMFC 運行溫度范圍60～80 ℃，且PEMFC 效率50 %左右[9]，反應時伴生的熱會提高反應堆溫度，導致出口反應氣溫度、濕度仍處于高位。過量氫循環或尾氣排放時，水的不可壓縮性會對壓縮機或噴射泵造成損傷，尾氣排放壓力控制器又不足以長期耐受60～80 ℃沖擊；冷凝水在管道附著、沉積，不僅影響壓力控制執行元件的密封性，且隨環境溫度減低，又有漲破管道風險。可采用冷凝器對出口飽和氣體快速降溫冷凝除濕，冷凝后的氣液混合物，通過高效除水器后，氣體溫度、濕度均滿足壓縮及尾氣排放裝置需求。

反應氣入堆前的加濕過程中，加濕水由泵加壓注入，水量隨氣流量大小調節，而泵流量較大，需輸送的加濕水較少，如50 kW 堆＜200 kg/h，供需參數的不匹配，外加調節遲滯誤差，使加濕水量偏多，反應氣過飽和，導致堆的電氣性能下降[10]。如在管路中串入除水器[11]，形成一個有濾水功能的緩沖節，將加濕后反應氣過飽和的水去除，使反應氣濕度保持70～90 RH%區間。換熱加濕與冷凝除濕裝置的作用看似相反，但其設計原理一致，可由同一規格不同應用實現。以此對加濕回路進行改造，加濕回路改造示意如圖2 所示，形成了器件一致，對稱易維護的經濟型結構。

氣體加濕控制原理如圖3 所示，控制由變頻器f，流量控制閥開度d、及濕度傳感器S 及綜合控器組成，將反應氣流量以10 %分格，每一流量下的濕度亦按10 %分格，形成10×10 網格狀態表。隨反應氣逐量程逐濕度精確實測，將對應狀態下的f、d 值分別記錄，完善為控制參數表。多次實測修正參數及驗證后。再進行反向逆驗證，設置任一狀態點f、d 值，觀測此時對應傳感器S檢測濕度與狀態表偏差，反復實測修正參數及驗證，確認最優參數后，可精簡濕度傳感器S。

圖1 PEMFC 電堆運行系統

圖2 加濕回路改造示意

圖3 氣體加濕控制原理

3 展望

PEMFC 作為一種由眾多子系統組成的龐雜大系統，系統中的每一部分既相互獨立，又相互聯系，任一部分狀態好壞都將直接影響電池性能。隨著氫能行業的快速發展，中國將繼續加大燃料電池技術的研發和投入，推動核心技術產業中國化。高效、穩定的PEMFC 研制、測試及運行，會迎來更廣泛深入的研究及探索。