常压燃料电池系统膜增湿器与焓轮增湿器性能比较

程良奖，李保群，曾 宏

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

常压燃料电池系统膜增湿器与焓轮增湿器性能比较

程良奖，李保群，曾 宏

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

为比较用于大功率燃料电池系统的膜增湿器和焓轮增湿器性能，基于一维扩散方程建立了膜增湿器性能分析模型，基于表面扩散方程建立了焓轮增湿器性能分析模型，模拟了各操作参数对二者性能的影响，模拟结果与实验数据符合良好。分析表明，低空气流量、高进气温度和高转轮转速有利于提高焓轮增湿器表面扩散系数，膜增湿器内水含量梯度随空气流量增加而减小并在进气温度约40℃时达到最小值;焓轮增湿器动态响应能力优于膜增湿器。

膜增湿器;焓轮增湿器;常压;燃料电池系统

0 引言

水热管理是质子交换膜燃料电池系统集成和优化设计的关键技术之一，保持膜的适当湿度将保证质子在膜内的传递能力。空气进气需要被增湿以防止膜干涸，外增湿方式通常被应用于大功率燃料电池系统。低压系统中，膜增湿器和焓轮增湿器可以高效回收利用阴极废气中的水和热，应用于外增湿系统将显著提高燃料电池系统效率。

当前，燃料电池堆增湿系统的研究多应用集总参数法分析增湿器性能［1－2］，没有考虑增湿器内水传递过程，无法有效揭示操作参数对增湿性能影响的机理，建立适宜于全系统优化设计的整体仿真平台需要分析部件过程对系统整体性能的影响。

为从本质上对膜增湿器和焓轮增湿器性能进行比较分析，基于一维水传递过程方程建立了膜增湿器性能分析模型，基于表面水扩散过程方程建立了焓轮增湿器性能分析模型。根据模型比较分析了各操作参数对增湿器性能的影响，模拟结果与实验数据符合良好。基于模型分析了其影响机理，预测比较了增湿器动态响应能力。

1 膜增湿器和焓轮增湿器模型

1.1 膜增湿器模型

膜增湿器中膜内水传递过程由一维扩散方程描述：

式中：

忽略空气进气中的水蒸气，有

认为用于增湿的湿空气为饱和湿空气，其水活度为1。对式(4)沿膜厚度方向积分得到被增湿后空气的温度和水活度的关系。

以上方程中，膜内水扩散系数反应了空气流量、压力和温度等操作条件的影响，表达式如下：

其中，α和β为与增湿器结构和材料有关的系数。

1.2 焓轮增湿器模型

焓轮增湿器转轮旋转时，湿空气中的饱和水在焓轮表面向干空气扩散，增湿器中水传递过程由表面扩散方程描述：

转轮转速很低，旋转周期大于1 s，而空气通过焓轮增湿器耗时小于0.1 s。因此，可以假设空气在焓轮增湿器内性质均匀，以焓轮旋转周期作为过程计算时间。

K为与增湿器结构和材料有关的系数，与膜增湿器模型中D的定义相类似，本模型中K反映了操作条件的影响。

其中，nr为参考转速，本文中为10 r/min。

2 结果与讨论

基于以上模型对膜增湿器和焓轮增湿器性能进行了模拟分析并将模拟结果与实验数据进行了对比。详细分析了操作参数对膜增湿器中膜两侧水含量梯度和膜内水扩散系数的影响及其对焓轮增湿器转轮表面扩散系数K的影响。

2.1 膜增湿器和焓轮增湿器参数化分析

干空气进气温度和流量对增湿器性能具有决定性的影响。膜增湿器额定流量为0.046 kg/s，可满足35 kW燃料电池堆阴极进气需求。本文研究的焓轮增湿器额定流量为0.024 kg/s。燃料电池阴极废气通常约为65℃饱和湿空气，实验中，焓轮增湿器湿空气温度约比膜增湿器高5℃。用露点温度差作为描述增湿器性能的指标。

膜增湿器模型参数见表1。

表1 模型基本参数Tab．1 Basic parameters of the model

2.1.1 空气流量对增湿器性能的影响

空气流量对膜增湿器和焓轮增湿器性能的影响分别见图1和图2。

图中描述了空气进气温度分别为39℃和25℃时空气流量对膜增湿器性能的影响。空气流量低于46 g/s时，焓轮增湿器增湿后空气与饱和湿空气露点差约为膜增湿器的2倍，增大空气流量对焓轮增湿器性能的负面影响远大于其对膜增湿性能的影响。

燃料电池堆温度通常与排气温度相当，在此工作条件下，应用膜增湿器和焓轮增湿器回收阴极废气对空气进行分别最低可以获得65%和73%的相对湿度。焓轮增湿器工作温度比膜增湿器工作温度高5℃引起焓轮增湿器露点温度差大而相对湿度高。通常认为阴极进气增湿相对湿度应为60%～90%［3］。

2.1.2 空气进气温度对增湿器性能的影响

干空气进气温度对增湿器和焓轮增湿器性能的影响见图2和图4，空气流量均为额定值。由图3可知，空气进气温度约为40℃时焓轮增湿器获得最优性能。由图4可知，焓轮增湿器性能随空气温度升高而下降，空气温度高于70℃后，露点温度差迅速降低，空气温度为80℃时，露点温度差为13.2℃，相对湿度为55%。空气进气温度为70℃时，应用膜增湿器和焓轮增湿器可获得阴极进气相对湿度分别为60%和64%。

2.1.3 其他参数的影响

干空气与湿空气质量流量比对膜增湿器性能的影响如图5所示，空气进气温度为52℃时，干湿空气流量比由约0.5增大到1过程中，露点温度差由12℃下降到9℃，增湿后进气相对湿度由57%增大到66%;进气温度为39℃时，露点温度差比52℃时约低1℃，干湿空气流量比大于0.85后，膜增湿器性能基本不变。

转轮转速对焓轮增湿器性能的影响如图6所示，转速增大，露点温度差降低，空气流量低于60%额定值时焓轮增湿器性能基本相同，额定流量条件下，转速为40 r/min对应露点温度差为7℃，转速为10 r/min时，露点温度差为12℃。

2.2 讨论

模拟分析结果与实验数据吻合良好，根据模型进一步研究各操作参数对膜增湿器性能影响的机制。操作参数对膜两侧水含量梯度Δλ的影响见图7。进气温度高于40℃时Δλ基本不变，空气流量增大时，水传递通量增大引起Δλ迅速增大，膜两侧相对湿度差变大，膜增湿器性能下降。

图7 操作参数对Δλ的影响Fig．7 Effect of operating parameters on Δλ

操作参数对膜内水扩散系数的影响见图8。扩散系数随空气进气温度升高基本按照线性增大，高流量时，空气流量增大对扩散系数的影响不如低流量时明显。

随空气流量增大，Δλ增大对膜增湿器性能的负面影响比扩散系数增大对增湿器性能的正面影响更为显著。因此，空气流量增大引起膜增湿器性能下降。

操作参数对焓轮增湿器性能的影响如图9和图10所示。转轮转速升高，表面水脱附和吸附速度增大，K增大。空气进气温度对K的影响较不显著，尤其是在高于65℃时基本无影响，这可能是因为高温时传质和传热方向的不一致降低了传质效率。

常压燃料电池系统中，鼓风机出口空气压力变化时，空气流量能迅速响应达到稳定值，而空气温度达到稳定值则大为滞后。温度的动态响应特性决定了系统整体的动态响应能力［4］，根据模型预测，空气进气温度对焓轮增湿器性能的影响不如对膜增湿器性能的影响明显，焓轮增湿器的动态响应能力将优于膜增湿器。

3 结语

基于一维扩散方程建立了膜增湿器模型，基于表面扩散方程建立了焓轮增湿器模型，并应用模型对增湿器性能进行了分析，模拟结果与实验数据吻合良好。膜增湿器在空气进气温度约40℃时获得最优性能。根据模型研究了操作参数对增湿器性能影响的机制，空气流量增大，膜两侧水含量梯度增大对膜增湿器性能的负面影响比扩散系数增大对膜增湿器性能的正面影响更具决定性。焓轮增湿器在高转速低进气温度条件下获得高性能。焓轮增湿器动态响应能力优于膜增湿器。

［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

程良奖(1980－)，男，工程师，从事船舶动力装置与系统设计。