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燃料电池发动机系统空气加湿器实验研究
郑伟安 许思传 倪淮生
(同济大学)
【摘要】 由于质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能受反应气体的湿度影响很大,进气湿度必须加以控制,其 大致范围应高于80%,低于100%。电解质的质子传导能力与水含量成正比,但水分含量又不能过高,否则会引起 电解质淹没。当PEMFC在不加湿的情况下,工作温度升高60℃时,反应气体会非常干燥,这对质子交换膜是灾难 性的,所以对反应气体加湿必不可少。通过实验证明了某型加湿器能够满足车用燃料电池发动机的需要。
【主题词】 燃料电池 汽车 加湿器
引言
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是移动能源最 好的载体之一。它具有较高的功率密度,结构紧凑、 运行温度和压力低,启动迅速等优点。目前,已经出 现了以燃料电池为主要动力源的汽车,但是其成本 的降低和效率的提高仍然是该项研究的关键。 对于燃料电池的运行而言,质子交换膜的水 传导率是影响其性能的重要参数。如果反应气体 未经加湿,会造成质子交换膜脱水,导致欧姆损失 并可能造成交换膜损坏。而加湿过渡,也会由于 堵水等原因造成燃料电池的性能恶化。 因此,FCE发动机系统中进气的加湿控制技 术对于保持质子交换膜适当的含水量,提高燃料 电池性能具有重要意义。
1 空气湿度对PEMFC的影响
PEMFC在工作过程中,从阳极形成的氢离子 将透过质子交换膜至阴极。质子必须与水结合, 才能透过膜到达阴极。透过膜的质子数越多,与 质子一起从阳极到达阴极的水也就越多。由于水 的渗透,质子交换膜阳极侧的水减少,在阴极一 侧,由于水的渗透和反应生成的水,使得阴极的水 增多。在实际工作中,水总是从质子交换膜的阳 极侧渗透到阴极侧,导致膜的阳极侧脱水。一旦 质子交换膜失水,其电导率下降,电池的欧姆压降 也会增大,催化剂的活性也会降低。为了使交换 膜不失水,就要在阳极侧补充水量,阳极氢气必须 进行增湿。如果以空气代替纯氧,空气中的氧气 含量较少,为得到较高的氧气浓度,一般都要增大 空气的流速,没有加湿的气体使得阳极到阴极的 水迁移量更大,导致质子交换膜在阳极失水更严 重,因此阴极空气也必须进行增湿,否则会降低燃 料电池发动机的性能。
经增湿的H2和O2分别进入阳极和阴极,经过 电极扩散层扩散到达催化层和质子交换膜的界面, 分别在催化剂的作用下,发生氧化和还原反应。
阳极:H2→2H++2e- 阴极: 2H++12O2+2e-→H2O 总反应:H2+12O2→H2O
阳极反应生成的氢质子通过质子交换膜到达 阴极,阳极反应生成的电子通过外电路到达阴极, 生成的水以水蒸气或冷凝水的形式随过热热量从 阴极出口排出。燃料电池电堆作为燃料电池发动 机的核心部件,为发动机提供动力。
如果不对空气加湿,温度高于60℃时,在所 有可能的空气计量比下,出口空气的相对湿度都 将低于或远低于100%,见图1。因此,在高于 60℃条件下工作的PEMFC,对反应气体进行加湿 是十分必要的。
国外大量的研究发现,进入PEMFC电堆的燃料 相对湿度在90% ~100%、氧化剂相对湿度在60% ~ 90%时,PEMFC具有最佳的工作性能。因此,如何将 燃料和氧化剂的湿度控制在合适的范围内成为PEM- FC汽车商业化应用一个急需解决的难点。
对燃料电池电堆的反应气体加湿能提高燃料 电池发动机的性能,对反应气体中的氢气侧加湿 和空气侧加湿的数据对比分析后得知,空气侧湿 度与氢气侧湿度差越大,电堆的性能越差,反之越 好。当然影响燃料电池发动机工作性能的因素还 有反应气体和电堆的温度。因为燃料电池电堆的 温度在60~80℃,反应气体在进入燃料电池时, 温度能够达到电堆的温度,所以对于温度的影响, 电堆的温度更为重要一些。
当电堆温度变化时,平均电池电压变化不大, 与此相对应的是反应气体的湿度对燃料电池电堆 的性能影响巨大,如图2所示。氢气侧湿度按干 燥和100%两个水平,在氢气湿度为100%时平均 电池电压高于氢气干燥时;空气侧湿度在80%时, 平均电池电压明显得到提高。
2 加湿器实验
2.1 实验目的
通过实验,得到加湿器的整体性能曲线,以及 其内部各零部件,如喷嘴、换热器和水泵性能曲线。 图3为加湿器的结构图,该结构由喷嘴、换热 器、壳体组成。其中空气流向为图中箭头指向,空 气与喷嘴喷出的水雾与换热器进行换热、换湿,最 终实现加湿器出口空气的湿度和温度达到燃料电 池发动机的工况需要。
图4为实验台架简图,加湿器实验附件包括 温度、湿度、压力、流量传感器、流量传感器。
2.2 实验方案
对加湿器的性能产生影响的参数很多。各个 参数对加湿性能的影响程度不同。整个加湿器的 实验应该按以下4个步骤进行。 (1)换热器的实验。通过实验,深入了解加 湿器内部换热器的性能指标,为加湿器的设计和 选型工作做好准备。通过对实验结果的分析,判 断换热器的各个可变参数对换热性能的影响程 度。以此为依据可适当简化后面的加湿器性能 实验。
(2)加湿实验。在保持一定的入口空气压力 和加湿水温度的条件下,断开冷却水,对不同水蒸 气分压力的入口空气进行加湿。
(3)加湿水泵的实验。水泵转速不变,通过 变化入口空气的压力,得到水泵的流量曲线。 (4)加湿器总体实验。通过对前面实验结果 的分析,确定最终的加湿器实验参数,最终进行加 湿器实验。
2.3 实验结果分析
图5为换热器的实验结果,本研究以4种燃 料电池发动机工况流量作为实验工况,分别为: 21. 2 g/s、30 g/s、42. 4 g/s、83 g/s。由曲线可以得 出结论:随着空气流量的增加加湿器中换热器的 换热系数、换热量增加,且从42 g/s增大到83 g/s 时,换热系数和换热量也增大一倍。
图6中在未加湿时通入温度高于空气的水进 行换热,随着温度的升高,空气出口的湿度降低, 这符合工程热力学理论。图7、8为断开冷却水时 的加湿实验结果,得出结论:在加湿的情况下, 4种 空气流量下都能使空气湿度达到95%,但此时的 空气出口温度低于进口温度。
图9可知,由于喷水加湿理论上是等焓加湿, 但图中的焓值线在出口侧明显高于入口侧,这是 因为本实验对换热器通入了温度高于空气的加湿 水,相反如果通入温度低于空气的冷却水,空气的 出口焓值低于入口焓值。由图10可知,水侧换热 量高于气侧换热量,但由传热学知识得知这两个 量应该近似相等。这是因为本文对换热器进行了 喷水,水在雾化时吸收热量蒸发,从而使水侧的换 热量增加,最终实现加湿器的换热、换湿。且水侧 的换热量等于气侧换热量加上水的气化潜热,等 式两侧实验数据的误差在8%左右。
图11为总体实验性能曲线,在各种空气进口 湿度条件下,加湿器能使空气湿度达到平均值 95%,最少也能达到91%。
3 结语
本文对车用燃料电池发动机加湿器进行了实 验研究。笔者根据燃料电池发动机的工况制定了 4种空气流量加湿实验工况,然后分别作了换热实
验、只加湿不换热试验和综合加湿换热试验,之后 对实验进行分析得出结论:喷水加湿器能够提供 满足燃料电池发动机各种工况的空气温度和 湿度。
参考文献
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