基于燃料電池膜水分傳遞特性研究的溫度與濕度控制

劉洋+陶樂仁+王剛+張慶剛

摘要： 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中保持膜的適度濕潤(rùn)性非常重要.模擬了質(zhì)子交換膜的水環(huán)境，采用西門子S7-300PLC和力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了溫度濕度控制系統(tǒng)；應(yīng)用PID調(diào)節(jié)原理分別控制三種不同空氣流量（1、6、10 g·s-1）情況下空氣加熱器和水加熱器的溫濕度.由數(shù)據(jù)分析可得到結(jié)論：1 g·s-1流量引起的濕度波動(dòng)較大，10 g·s-1流量在高溫高濕情況下出現(xiàn)異常.

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜； PLC； 溫度控制； 相對(duì)濕度控制； PID控制

中圖分類號(hào)： TM 911.42文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置[1].其中質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是應(yīng)用最廣泛的一種燃料電池，具有高功率、低污染、無噪聲、低溫運(yùn)行、快速啟動(dòng)等特點(diǎn).質(zhì)子交換膜燃料電池在電動(dòng)汽車、航天、軍事等領(lǐng)域有著極其重要的作用，可滿足車輛、船舶排放的環(huán)保要求，因此適用于新一代交通工具動(dòng)力[2].隨著燃料電池關(guān)鍵部件成本的降低、可靠性能的提高、使用壽命延長(zhǎng)以及氫源問題的解決，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化是完全有可能的[3].但是目前技術(shù)仍不成熟，成本居高不下，使用壽命有待延長(zhǎng)，最亟需解決的問題就是質(zhì)子交換膜的成本和質(zhì)子交換膜的水管理.質(zhì)子交換膜中的H+遷移必須伴隨著水的遷移.在膜缺水的情況下，H+的傳導(dǎo)性顯著下降；但水過多不利于氣體反應(yīng)物擴(kuò)散到催化劑上，也會(huì)使膜的機(jī)械強(qiáng)度降低，多余的水分直接影響燃料電池的性能和壽命，以及在高電流密度下受傳質(zhì)限制造成的電壓降[4]、低電流密度時(shí)的電壓穩(wěn)定性[5]、冷啟動(dòng)時(shí)的可靠性[6].所以對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池的溫、濕度控制非常重要.王誠(chéng)等[7]對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的凈水遷移進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度升高到80℃時(shí)，陽極側(cè)質(zhì)子交換膜相對(duì)含水量降低.同時(shí)因?yàn)閺年帢O向陽極的濃度差梯度增大，擴(kuò)散系數(shù)也隨著溫度的升高而增大，導(dǎo)致凈水傳遞系數(shù)降低.基于此，本試驗(yàn)將模擬燃料電池在溫度為80℃、相

對(duì)濕度為80%、三種不同空氣流量（1、6、10 g·s-1）

下的控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)出口處的壓力調(diào)節(jié)閥，將壓力維持在180 kPa.

1燃料電池膜水環(huán)境模型

燃料電池膜水環(huán)境模型是將干空氣進(jìn)行加熱加濕（從空氣加熱器出來的干空氣和從蒸汽發(fā)生器出來的濕蒸汽混合于加濕器內(nèi)，過程近似于等溫加濕）后，經(jīng)過質(zhì)子交換膜，記錄濕空氣經(jīng)膜前后的溫、濕度變化.試驗(yàn)臺(tái)流程如圖1所示.整個(gè)試驗(yàn)裝置由空氣壓縮干燥機(jī)、流量控制器、空氣加熱器、蒸汽發(fā)生器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、壓差傳感器以及閥門、連接管道及保溫材料組成.系統(tǒng)設(shè)計(jì)有上位計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)測(cè)量與控制系統(tǒng).通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)工況的自動(dòng)調(diào)節(jié)，空氣參數(shù)的測(cè)量、顯示、存儲(chǔ)、計(jì)算等功能.由于燃料電池膜對(duì)于溫、濕度要求較高，在試驗(yàn)臺(tái)調(diào)試階段，未達(dá)到控制要求指標(biāo)前用金屬波紋管連接試驗(yàn)段進(jìn)、出口.

1—空氣壓縮干燥機(jī)；2—壓力傳感器；3—球閥；4—流量控制器；5—空氣加熱器；6—蒸汽發(fā)生器；7—加濕器；

8—濕度傳感器；9—溫度傳感器；10—金屬波紋管；11—壓差傳感器；12—壓力調(diào)節(jié)閥

1.1干燥空氣來源

本試驗(yàn)所用干空氣（模擬燃料電池空氣系統(tǒng)）由干空氣發(fā)生器產(chǎn)生.該干空氣發(fā)生器可提供500 kPa的干燥空氣.其出口空氣溫度為環(huán)境溫度，露點(diǎn)溫度為-40℃.當(dāng)環(huán)境溫度為5℃及以上時(shí)，可保證最低相對(duì)濕度為15%；當(dāng)環(huán)境溫度為30℃及以上時(shí)，可保證最低相對(duì)濕度為5%.

1.2質(zhì)量流量計(jì)

空氣系統(tǒng)對(duì)燃料電池的安全和壽命影響很大[8].空壓機(jī)對(duì)比產(chǎn)生空氣流量無法控制，所以需通過質(zhì)量流量計(jì)嚴(yán)格控制空氣流量.流量控制器設(shè)置在空氣壓縮干燥機(jī)的出口，保證空氣流量的測(cè)量不受空氣溫度和濕度的影響，測(cè)量范圍為0～10 g·s-1.

1.3空氣加熱器

空氣加熱器的設(shè)計(jì)需保證空氣和加熱器翅片

充分接觸及空氣的混合，以保證空氣溫度均勻.設(shè)計(jì)加熱量根據(jù)最大空氣流量和試驗(yàn)工況最大溫升并增加一定裕量后確定，本試驗(yàn)中設(shè)計(jì)加熱量為710 W.空氣加熱器配置調(diào)功器后接入控制系統(tǒng)的控制輸出信號(hào)端，控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前空氣溫度調(diào)節(jié)加熱器的電加熱功率，從而控制空氣的溫度.空氣加熱器放置在加濕器的前面，有利于空氣的加濕過程.

1.4蒸汽發(fā)生器

空氣加濕通過將干蒸汽噴射到空氣中實(shí)現(xiàn).干蒸汽由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生.加濕器最大加濕量是根據(jù)最大空氣流量和試驗(yàn)工況最大濕度變化量并增加一定裕量后確定.本試驗(yàn)的加熱功率為6 kW.加濕器的控制信號(hào)接入控制系統(tǒng)的控制輸出信號(hào)端，控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前空氣相對(duì)濕度調(diào)節(jié)

加濕器的加濕量，從而控制空氣的相對(duì)濕度.

1.5溫、濕度傳感器

空氣溫、濕度測(cè)量采用Vaisala HMT337雙探頭相對(duì)濕度儀，其獨(dú)特的專利探頭可以保證測(cè)量的精度和速度.Vaisala HMT337相對(duì)濕度測(cè)量量程為0%～100%，在-40～180℃環(huán)境下其精度為±（1.5+0.015 a）%（a為濕空氣相對(duì)濕度）；溫度測(cè)量量程為-70～180℃，在80℃時(shí)其精度為±0.35℃.

2溫、濕度控制的實(shí)現(xiàn)方法

在模擬控制系統(tǒng)中，PID控制是控制器中最常用的控制規(guī)律[9].PID控制是由P調(diào)節(jié)的比例增益和消除穩(wěn)定偏差的I調(diào)節(jié)，以及抑制超調(diào)量的D調(diào)節(jié)決定調(diào)節(jié)的反饋控制.該控制器參數(shù)容易調(diào)整，穩(wěn)定性好，工作可靠.本試驗(yàn)的溫、濕度控制通過PID控制實(shí)現(xiàn).

2.1溫度控制

假設(shè)穩(wěn)定時(shí)空氣需要的加熱量Q由空氣溫升所需的加熱量Q1和散熱量Q2組成，空氣溫升需要的熱量為

別為溫度設(shè)定值和空氣的進(jìn)口溫度.

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定比例系數(shù)c1=Q1/Q，則穩(wěn)定時(shí)需要的加熱量為Q=

3溫、濕度控制結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

三種不同的空氣流量（1、6、10 g·s-1）下，溫度控制在80℃±1℃，相對(duì)濕度控制在80%±2%.

圖2～4給出了空氣流量分別為1、6、10 g·s-1時(shí)，溫度和相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化，穩(wěn)定時(shí)間為20 min.

流量為1 g·s-1時(shí)，溫度控制比較平穩(wěn)，但相對(duì)濕度波動(dòng)較大，并且相對(duì)濕度一直處于不穩(wěn)定狀態(tài).因?yàn)榭諝饬髁啃r(shí)，從加濕器噴出的蒸汽量也小，造成壓力不穩(wěn)定從而引起相對(duì)濕度的波動(dòng).因此，壓力是該系統(tǒng)優(yōu)化非常重要的參數(shù).

流量為6 g·s-1時(shí)溫、濕度控制效果比較好.從圖3來看，前5 min相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化波動(dòng)較大，溫度隨時(shí)間變化波動(dòng)較小，說明相對(duì)濕度的波動(dòng)對(duì)溫度影響不大.

流量為10 g·s-1時(shí)溫度和相對(duì)濕度都產(chǎn)生了不穩(wěn)定的突變，發(fā)生突變時(shí)溫度從81.00℃降至77.22℃，對(duì)應(yīng)同一時(shí)刻的相對(duì)濕度從79.93%升至91.66%，而此段時(shí)間壓力一直維持在181.6 kPa左右.分析得知，流量大時(shí)，帶出的蒸汽也隨之增多，此時(shí)的蒸汽是含有部分液態(tài)水的濕蒸汽，濕蒸汽溫度低于干空氣溫度，于是當(dāng)濕蒸汽與空氣在加濕器內(nèi)混合后，濕蒸汽中水分蒸發(fā)需要的潛熱正好等于干空氣失去的顯熱，導(dǎo)致溫度下降、相對(duì)濕度上升.

4結(jié)論

建立了燃料電池膜水環(huán)境模型，利用PLC中的PID調(diào)節(jié)和力控組態(tài)軟件，控制不同流量下試驗(yàn)段進(jìn)口的溫度為80℃、相對(duì)濕度為80%；流量為1 g·s-1時(shí)，濕度波動(dòng)在81%±8%，顯然達(dá)不到控制要求，在以后的試驗(yàn)中需要減小蒸汽發(fā)生器到加濕器之間的閥門開度，使此處的壓力穩(wěn)定；流量為6 g·s-1時(shí)，溫度和相對(duì)濕度都達(dá)到了控制要求；流量為10 g·s-1時(shí)，所需的蒸汽量大，蒸汽發(fā)生器中生成的濕蒸汽容易結(jié)露，需改進(jìn)蒸汽發(fā)生器，使其在大流量時(shí)也能生成干蒸汽.

參考文獻(xiàn)：

[1]VIELSTICH W，LAMM A，GASTEIGER H A.Handbook of fuel cells：fundamentals technology and applications[M].New York：Wiley，2003.

[2]吳玉厚，陳士忠.質(zhì)子交換膜燃料電池的水管理研究[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[3]杜春慧，陳建勇.質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用研究[J].能源研究與信息，2002，18（1）：48-53.

[4]華周發(fā)，余意，潘牧.動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能影響研究[J].電源技術(shù)，2011，35（11）：1358-1363.

[5]OWEJAN J P，TRABOLD T A，GAGLIARDO J G，et al.Voltage instability in a simulated fuel cell stack correlated to water accumulation measured via neutron radiography[J].Journal of Power Sources，2007，171（2）：626-633.

[6]JIAO K，LI X G.Cold start analysis of polymer electrolyte membrane fuel cells[J].International Journal of Hydrogen Energy，2010，35（10）：5077-5094.

[7]王誠(chéng)，毛宗強(qiáng)，徐景明.PEMFC凈水傳遞研究[J].電池，2004，34（6）：391-393.

[8]谷靖，盧蘭光，徐梁飛，等.燃料電池系統(tǒng)空氣流量振蕩分析與控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（12）：112-117.

[9]陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[10]徐振勇.濕空氣流量計(jì)算方法[J].化工自動(dòng)化及儀表，1982（3）：56-59.

3溫、濕度控制結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

三種不同的空氣流量（1、6、10 g·s-1）下，溫度控制在80℃±1℃，相對(duì)濕度控制在80%±2%.

圖2～4給出了空氣流量分別為1、6、10 g·s-1時(shí)，溫度和相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化，穩(wěn)定時(shí)間為20 min.

流量為1 g·s-1時(shí)，溫度控制比較平穩(wěn)，但相對(duì)濕度波動(dòng)較大，并且相對(duì)濕度一直處于不穩(wěn)定狀態(tài).因?yàn)榭諝饬髁啃r(shí)，從加濕器噴出的蒸汽量也小，造成壓力不穩(wěn)定從而引起相對(duì)濕度的波動(dòng).因此，壓力是該系統(tǒng)優(yōu)化非常重要的參數(shù).

流量為6 g·s-1時(shí)溫、濕度控制效果比較好.從圖3來看，前5 min相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化波動(dòng)較大，溫度隨時(shí)間變化波動(dòng)較小，說明相對(duì)濕度的波動(dòng)對(duì)溫度影響不大.

流量為10 g·s-1時(shí)溫度和相對(duì)濕度都產(chǎn)生了不穩(wěn)定的突變，發(fā)生突變時(shí)溫度從81.00℃降至77.22℃，對(duì)應(yīng)同一時(shí)刻的相對(duì)濕度從79.93%升至91.66%，而此段時(shí)間壓力一直維持在181.6 kPa左右.分析得知，流量大時(shí)，帶出的蒸汽也隨之增多，此時(shí)的蒸汽是含有部分液態(tài)水的濕蒸汽，濕蒸汽溫度低于干空氣溫度，于是當(dāng)濕蒸汽與空氣在加濕器內(nèi)混合后，濕蒸汽中水分蒸發(fā)需要的潛熱正好等于干空氣失去的顯熱，導(dǎo)致溫度下降、相對(duì)濕度上升.

4結(jié)論

建立了燃料電池膜水環(huán)境模型，利用PLC中的PID調(diào)節(jié)和力控組態(tài)軟件，控制不同流量下試驗(yàn)段進(jìn)口的溫度為80℃、相對(duì)濕度為80%；流量為1 g·s-1時(shí)，濕度波動(dòng)在81%±8%，顯然達(dá)不到控制要求，在以后的試驗(yàn)中需要減小蒸汽發(fā)生器到加濕器之間的閥門開度，使此處的壓力穩(wěn)定；流量為6 g·s-1時(shí)，溫度和相對(duì)濕度都達(dá)到了控制要求；流量為10 g·s-1時(shí)，所需的蒸汽量大，蒸汽發(fā)生器中生成的濕蒸汽容易結(jié)露，需改進(jìn)蒸汽發(fā)生器，使其在大流量時(shí)也能生成干蒸汽.

參考文獻(xiàn)：

[1]VIELSTICH W，LAMM A，GASTEIGER H A.Handbook of fuel cells：fundamentals technology and applications[M].New York：Wiley，2003.

[2]吳玉厚，陳士忠.質(zhì)子交換膜燃料電池的水管理研究[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[3]杜春慧，陳建勇.質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用研究[J].能源研究與信息，2002，18（1）：48-53.

[4]華周發(fā)，余意，潘牧.動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能影響研究[J].電源技術(shù)，2011，35（11）：1358-1363.

[5]OWEJAN J P，TRABOLD T A，GAGLIARDO J G，et al.Voltage instability in a simulated fuel cell stack correlated to water accumulation measured via neutron radiography[J].Journal of Power Sources，2007，171（2）：626-633.

[6]JIAO K，LI X G.Cold start analysis of polymer electrolyte membrane fuel cells[J].International Journal of Hydrogen Energy，2010，35（10）：5077-5094.

[7]王誠(chéng)，毛宗強(qiáng)，徐景明.PEMFC凈水傳遞研究[J].電池，2004，34（6）：391-393.

[8]谷靖，盧蘭光，徐梁飛，等.燃料電池系統(tǒng)空氣流量振蕩分析與控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（12）：112-117.

[9]陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[10]徐振勇.濕空氣流量計(jì)算方法[J].化工自動(dòng)化及儀表，1982（3）：56-59.

3溫、濕度控制結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

三種不同的空氣流量（1、6、10 g·s-1）下，溫度控制在80℃±1℃，相對(duì)濕度控制在80%±2%.

圖2～4給出了空氣流量分別為1、6、10 g·s-1時(shí)，溫度和相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化，穩(wěn)定時(shí)間為20 min.

流量為1 g·s-1時(shí)，溫度控制比較平穩(wěn)，但相對(duì)濕度波動(dòng)較大，并且相對(duì)濕度一直處于不穩(wěn)定狀態(tài).因?yàn)榭諝饬髁啃r(shí)，從加濕器噴出的蒸汽量也小，造成壓力不穩(wěn)定從而引起相對(duì)濕度的波動(dòng).因此，壓力是該系統(tǒng)優(yōu)化非常重要的參數(shù).

流量為6 g·s-1時(shí)溫、濕度控制效果比較好.從圖3來看，前5 min相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化波動(dòng)較大，溫度隨時(shí)間變化波動(dòng)較小，說明相對(duì)濕度的波動(dòng)對(duì)溫度影響不大.

流量為10 g·s-1時(shí)溫度和相對(duì)濕度都產(chǎn)生了不穩(wěn)定的突變，發(fā)生突變時(shí)溫度從81.00℃降至77.22℃，對(duì)應(yīng)同一時(shí)刻的相對(duì)濕度從79.93%升至91.66%，而此段時(shí)間壓力一直維持在181.6 kPa左右.分析得知，流量大時(shí)，帶出的蒸汽也隨之增多，此時(shí)的蒸汽是含有部分液態(tài)水的濕蒸汽，濕蒸汽溫度低于干空氣溫度，于是當(dāng)濕蒸汽與空氣在加濕器內(nèi)混合后，濕蒸汽中水分蒸發(fā)需要的潛熱正好等于干空氣失去的顯熱，導(dǎo)致溫度下降、相對(duì)濕度上升.

4結(jié)論

建立了燃料電池膜水環(huán)境模型，利用PLC中的PID調(diào)節(jié)和力控組態(tài)軟件，控制不同流量下試驗(yàn)段進(jìn)口的溫度為80℃、相對(duì)濕度為80%；流量為1 g·s-1時(shí)，濕度波動(dòng)在81%±8%，顯然達(dá)不到控制要求，在以后的試驗(yàn)中需要減小蒸汽發(fā)生器到加濕器之間的閥門開度，使此處的壓力穩(wěn)定；流量為6 g·s-1時(shí)，溫度和相對(duì)濕度都達(dá)到了控制要求；流量為10 g·s-1時(shí)，所需的蒸汽量大，蒸汽發(fā)生器中生成的濕蒸汽容易結(jié)露，需改進(jìn)蒸汽發(fā)生器，使其在大流量時(shí)也能生成干蒸汽.

參考文獻(xiàn)：

[1]VIELSTICH W，LAMM A，GASTEIGER H A.Handbook of fuel cells：fundamentals technology and applications[M].New York：Wiley，2003.

[2]吳玉厚，陳士忠.質(zhì)子交換膜燃料電池的水管理研究[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[3]杜春慧，陳建勇.質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用研究[J].能源研究與信息，2002，18（1）：48-53.

[4]華周發(fā)，余意，潘牧.動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能影響研究[J].電源技術(shù)，2011，35（11）：1358-1363.

[5]OWEJAN J P，TRABOLD T A，GAGLIARDO J G，et al.Voltage instability in a simulated fuel cell stack correlated to water accumulation measured via neutron radiography[J].Journal of Power Sources，2007，171（2）：626-633.

[6]JIAO K，LI X G.Cold start analysis of polymer electrolyte membrane fuel cells[J].International Journal of Hydrogen Energy，2010，35（10）：5077-5094.

[7]王誠(chéng)，毛宗強(qiáng)，徐景明.PEMFC凈水傳遞研究[J].電池，2004，34（6）：391-393.

[8]谷靖，盧蘭光，徐梁飛，等.燃料電池系統(tǒng)空氣流量振蕩分析與控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（12）：112-117.

[9]陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[10]徐振勇.濕空氣流量計(jì)算方法[J].化工自動(dòng)化及儀表，1982（3）：56-59.