利用多孔介质板回收PEMFC排气中水分的实验

王世学，鲁 池，王 飞，杨 博，邵光威

（1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津　300072；2. 天津大学机械工程学院，天津　300072）

利用多孔介质板回收PEMFC排气中水分的实验

王世学1，2，鲁 池2，王 飞2，杨 博1，2，邵光威2

（1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072；2. 天津大学机械工程学院，天津300072）

针对使用多孔介质板的质子交换膜燃料电池增湿器，建立了研究透过多孔介质板的热湿移动特性的实验测量系统，使用该系统测量并比较了增湿气体（燃料电池的排气）透过多孔介质板向被增湿气体（燃料电池阴极供气）进行热湿传递时，气体的温度、相对湿度与流量等因素对热湿传递特性的影响.结果表明：在使用相同的多孔介质板的前提下，降低气体流量、提高增湿气体进口温度和相对湿度对多孔介质板两侧的换热更加有利；提高增湿气体的进口温度、降低气体流量和增湿气体的相对湿度可提高水分回收率，而提高增湿气体的温度、相对湿度以及流量均可提高水分传递量.

质子交换膜燃料电池；增湿器；多孔介质板；热湿传递

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）工作过程中产生的废气是由水蒸气、氮气、氧气等组成的混合气体，没有任何污染.与其他动力装置相比，PEMFC的能量转换效率更高，因此，PEMFC被认为是具有广泛竞争力的新一代交通工具动力源［1-2］.PEMFC工作时，膜的导电性取决于其含水量［3］，这是由于质子需通过水合作用在膜电极（membrane electrode assemblies，MEA）中形成水合质子，并以水合质子的形式在膜中移动.如果膜的含水量过低，会减少水合质子的形成，从而阻碍质子在膜中的传递，降低PEMFC的性能.此外，对于像Nafion类的质子交换膜，不合理地加湿会导致膜的持续膨胀或收缩，机械应力增加，甚至损坏质子交换膜［4］.因此，保持合理的膜湿润度是PEMFC高效平稳运行的关键之一［5］.

PEMFC在实际运行过程中，需要一个独立的增湿系统为其加湿，以确保阴极的反应气体（通常是空气）在进入燃料电池发生反应之前被合理增湿［6］.对燃料电池增湿系统的研究一直是燃料电池研究领域的热点，目前研究比较多的一般是喷雾增湿、气泡增湿、焓轮增湿［7］以及多孔介质增湿.喷雾增湿的原理是用喷嘴里的雾化装置将液滴均匀雾化并喷洒到布织物或者是金属丝网上，从而对通过的阴极反应供气进行加湿.由于没有加热装置，这种增湿方法对温度比较敏感，阴极进气的相对湿度会随着温度的变化而变化，从而影响燃料电池的工作.气泡增湿器主要应用于小型低工作电压燃料电池，由于使用该方法会产生很大的压降［8］，所以阴极进气在增湿后需要再次提高压力，导致其增湿系统比较复杂，实用性不强.焓轮增湿器也是目前比较热门的研究方向，它包含一个陶瓷制的可旋转焓轮，并将其作为热湿传递的载体，通过控制焓轮的转速或者打开气体通道的数量可以控制加湿程度，然而由于这种加湿系统带有比较复杂的运动装置，结构较为冗杂，维护代价较高，应用范围有一定的局限性.

多孔介质增湿器被广泛应用于燃料电池阴极进气增湿［9-10］，它包含一个干空气流道、一个湿空气或者液态水流道，两者之间用能够透过水分的多孔介质隔开.其加湿的原理就是由于多孔介质两侧含湿量不同，水分会由含湿量较高的湿空气或者液态水侧渗透到含湿量较低的干空气侧，从而达到加湿的目的.与前面几种增湿方式相比，该方法结构简单，不会形成较大压降，是理想的燃料电池增湿方式［11-12］.尽管如此，有关使用多孔介质板的增湿器在设计方面仍有许多亟待解决的问题，比如多孔板的物性、流体状态参数等因素对水分传递的影响尚不完全明了.因此，为了解使用多孔介质板的燃料电池增湿器的热湿传递特性，笔者建立了一套实验测量系统，从实验的角度研究了水热透过多孔介质板时的传递规律，为增湿器的实际设计提供依据.

1　实验装置及原理

图1是燃料电池自增湿系统的示意.通过一个外部的增湿器实现利用燃料电池的排气对阴极反应进气的增湿，从而达到水热资源回收利用的目的.根据图1所示的增湿器中水分透过多孔介质的移动方式，建立了如图2所示的实验测量系统，模拟了燃料电池高温高湿排气（增湿气体）中水分透过多孔介质板传递到新鲜空气（被增湿气体）的过程，研究了各相关参数对整个过程的影响规律.图中：ddo和ddi分别为被增湿流道出口和进口处的气体含湿量；dwi为增湿流道进口处的气体含湿量.测量系统由高温高湿回路与低温干燥回路组成.在高温高湿回路中，通过空气压缩机将环境中的空气经过滤装置过滤后泵入加湿装置中.加湿装置采用鼓泡增湿法，其中的水温可根据实验要求进行调节.空气从加湿装置流出时为饱和湿空气，在进入实验测量段之前，经由加热器调节其温度.这样，通过对气体流量、加湿装置水温以及加热装置功率等参数的调节，就能得到不同温、湿度的气体用来模拟燃料电池不同工况下的排气.同时，在低温干燥回路中，环境空气由空气泵提压后，经流量计测量流量和加热器3调节温度后进入实验测量段，且其流动方向与增湿气体相同.通过调节阀门开度以及加热器的功率，可以获得各种给定工况下的被增湿气体.

图1　燃料电池自增湿系统示意Fig.1 Schematic diagram of self-humidifying system of fuel cell

图2　实验测量系统示意Fig.2Schematic diagram of experimental measurement system

本实验通过测量气体的温度和相对湿度计算气体的含湿量进而计算水分传递量.为了准确计算水分的传递量，避免求饱和水蒸气分压力时运用插值法所带来的数据处理误差，使用Antoine公式［13］计算给定温度下饱和水蒸气分压力，即

式中：ps为饱和水蒸气分压力；m为Antoine常数，m1=23.196，4，m2=3，816.44，m3=-46.13；Tg为湿空气干球温度.式（1）的应用范围是测温点的气体压力为1.3～200.0，kPa，适用于本实验工况.

2　实验结果与讨论

本文使用上述实验测量系统，就不同参数对透过多孔介质板的水分传递过程的影响进行了研究.增湿气体与被增湿气体采用等流量进行实验.实验中使用的多孔介质板和流体的基本参数如表1～表3所示.下文所述的实验结果如无特殊说明，所用参数均取表1～表3中所示之值.

表1　多孔介质板参数Tab.1 Parameters of porous media plate

表2　进口流体参数Tab.2 Parameters of inlet fluid

表3　流道参数Tab.3 Parameters of flow channel

由于流道结构的原因，流道内气体的相对湿度难以测量，而当湿空气压力一定时，其温度和相对湿度有着密切的联系，即可以通过测量温度来间接判断其相对湿度.因此，在两个气体流道内沿气体流动方向布置了5对直径为0.25，mm的铠装热电偶，用于测量气体温度沿流动方向的变化.

图3（a）给出了不同气体流量下被增湿气体的温度分布比较.由图可见，沿着流动方向被增湿气体的温度逐渐升高.这是由于被增湿流道内的气体在被增湿的同时也在被加热，沿流动方向被增湿气体吸收的热量越来越多，所以温度逐渐升高.从图3（a）中还可以看出，被增湿气体的温度随流体的流量降低而升高.实际上，气体流量降低，气体的热容量减小，同样的换热量可使其温度升高更多.虽然流量降低会引起气体对流换热能力降低，但其降低幅度小于流量降低所带来的热容量减小.另外，在入口段附近，气体的温度上升较快，这是由于此处两个流道之间的温差较大，且被增湿气体的含湿量较低，热量传递以显热为主.其后随着换热的进行，两个流道内气体间的温差变小，即换热驱动力减小，故气体温度上升趋于平缓.另外从图中还可发现，尽管实验过程中环境温度几乎不变，在不同气体流量下，流道入口处的温度却并不相同.这是由于气体在进入实验段（多孔介质板起始处）之前，与不锈钢制的框架间存在换热，导致气体温度不同程度地升高，但是这对整个过程的热湿传递没有太大影响.

不同增湿气体温度下的被增湿气体温度分布如图3（b）所示.从图中可以看到，被增湿气体温度随着增湿气体温度的升高而升高.增湿气体温度为52.0，℃情况下，被增湿气体从入口到出口的温度仅提高了约4，℃，而增湿气体温度提高到78.5，℃之后，被增湿气体的温度增加值为8.0，℃.出现这种现象的原因是增湿气体和被增湿气体之间的温差随着增湿气体温度的提高而增大，热量的传递量也随之增大.此外，从图中还可以看出，当增湿气体的温度较低时，被增湿气体的温度变化趋势稳定较快.这是因为此时两个流道入口处气体温差较小，随着换热的进行，两气体间温差进一步减小，导致其间传热量减小，表现为被增湿气体温度上升较为平缓.

图3　不同工况下被增湿气体温度分布比较Fig.3Comparison of temperature distribution of humidifying gas under different working conditions

增湿气体的相对湿度对整个热湿传递过程中被增湿气体温度分布的影响如图4（a）所示.被增湿气体的温度变化幅度随着增湿气体相对湿度的提高而增大，其规律和图3（b）类似.如前所述，温度对整个热湿传递过程（特别是低温侧温度分布）的影响是通过多孔介质板两侧温差达到的，而相对湿度对水分传递特性的影响是通过多孔介质板两侧的气体含湿量之差而作用的.在相对湿度较高的情况下，同样温度和流量的增湿气体携带的水量越多，向被增湿流道内传递的水分也就越多，且其更容易饱和，形成冷凝水.液态水通过多孔介质板的毛细力渗透到被增湿气体侧，其携带的潜热也随之传递到被增湿流道.与此同时，增湿气体温降较小，气体中水分的显热易于传向被增湿气体侧，使得被增湿流道所得的热量增多，温度变化幅度加大.

图4　增湿气体相对湿度不同时温度分布比较Fig.4 Comparison of temperature distribution under different humidifying air relative humidity

图4（b）为不同增湿气体相对湿度下增湿气体的温度变化.从图中可以看出，增湿气体的相对湿度较低，入口段温度降低幅度较大，且从第2个测量点以后温度变化趋于平缓.初始段的温降主要是因为显热放热，而后当增湿气体温度降低到湿空气露点以下时，空气中的水蒸气凝结析出，释放出潜热.而此热量远大于同样温降下的显热，因此表现出流道后半段温度降低平缓，这也是图中所示相对湿度较高时加湿气体的温度梯度变化较小的原因.图中ts1和ts2分别表示相对湿度为80%，和42%，时，增湿气体中水蒸气分压力所对应的饱和温度，即增湿气体的露点温度.从图中可以看出，增湿流道内的温度从第2个测量点开始低于其露点温度，这意味着随后增湿流道内将出现凝结水.

以上分析了温度在流道内的分布规律，根据温度的变化情况可以对热量传递规律有更为深入的认识，而水分在流动方向上的分布情况因为实验条件的限制无法测量，但流道出口处的气体含湿量却很方便测量，因此本文使用整个热湿传递过程中被传递到被增湿流道的水分质量占增湿气体进入流道时携带的水分总量的百分比（即水分回收率WRR）［14］来评价各种参数对水分传递能力的影响，即

当流过被增湿流道和增湿流道的干空气质量流量qmair，d和qmair，w相等时，式（2）可简化为

图5（a）为不同增湿气体相对湿度下的水分回收率以及水分传递量的变化.从图中可以看出，相比于相对湿度为80%，的情况，相对湿度为42%，时的水分回收率更高，但是其水分传递量不到相对湿度为80%，时的1/2.这是因为相同温度和流量下，当增湿气体的相对湿度较高时，其所携带的水分较多，且露点温度较高，水分的传递量自然较大.但是由于其基数较大，所以水分回收率WRR反而偏小，所以在此种情况下，从水分传递量的角度来评价，相对湿度为80%，时较为理想，但是从水分回收率的角度，相对湿度为42%，的情况更为理想.

图5（b）比较了不同增湿气体温度下的水分回收率以及水分传递量的变化.相比较温度为52.0，℃的情况，温度为78.5，℃时水分回收率有了明显的提高，并且和图5（a）比较可以发现，温度对水分回收率的影响比相对湿度更明显.原因可以考虑为相同相对湿度的增湿空气的含湿量随着温度的升高而呈指数性升高，所以温度的升高对水分传递量的提高作用是十分明显的.此外，和图5（a）不同之处在于，当增湿气体温度升高时，水分传递量和水分回收率同时提高，且水分传递量提高的幅度更大.

图5　各因素对水分回收率以及水分传递量的影响Fig.5 Influence of each factor on WRR and amount of moisture transfer

图5（c）比较了不同气体流量下的水分回收率.气体流量对水分回收率和水分传递量的影响也是明显的，并且呈现出了水分回收率随着气体流量升高而下降和水分传递量随着气体流量升高而上升的趋势.这考虑是因为随着气体流量的增加，在相同温度和相对湿度下，其携带的水分量增加，从而导致水分传递量升高；同时，虽然水分传递量增加了，但是其与进口气体含湿量的增加值相比，增加的幅度较小，所以水分回收率会降低.

3　实验误差分析

在进行实验测量之前，为分析实验测量系统的误差范围及来源，进行了3组水平衡分析实验.通过温、湿度计测量增湿以及被增湿流道入口处的温度和相对湿度，利用Antoine公式计算增湿和被增湿流道入口温度下的饱和水蒸气分压力，再利用含湿量与饱和水蒸气分压力及相对湿度之间的关系求出增湿和被增湿流道入口处的含湿量，并将这两个含湿量分别对时间求积分来计算增湿与被增湿流道入口处的总水分进入量.流道出口处，由于增湿与被增湿气体的近似饱和状态甚至析出有液态水，所以本实验测量系统通过在两流道出口处连接干燥装置来收集水分并称重得到出口总水量.

误差分析结果如表4所示，水分损失百分比在20%，之内，这些误差包括入口总水量与出口总水量的测量误差、水分在流道内的滞留等.而3组实验的水分回收率相差不大则说明了实验的人为误差影响较小，实验相对稳定.

表4　误差分析结果Tab.4 Results of error analysis

另外，本实验中温、湿度计使用VAISALA系列的HMT330温、湿度计，其温度和相对湿度的精度分别为±0.20%，满量程（full scale，FS）和±3%，FS，流量计的精度为±3%，FS.所有测量仪器的测量精度引起的误差［15］可以表示为

式中：qm，w为水的质量流量；Hr为流道出口处气体的相对湿度；din为流道进口处的气体含湿量；t为气体的温度；ps（t）为该温度t下对应的空气中水蒸气的分压力；p0为总压；qm，air为干空气的质量流量.在上述实验的测量范围内，经计算，dqm，w/qm，w的值在7%～15%，，所以所有测量精度引起的误差可以看作在15%，以内.对比表4所给出的实验误差数据可知，本文所得的实验数据是可信的.

4　结 论

（1） 增湿气体和被增湿气体的温度在流动方向上的变化均呈先快后慢的趋势.降低气体流量、提高增湿气体温度以及相对湿度可以提高被增湿气体的温度，对两流道之间的换热更加有利.

（2） 水分回收率随增湿气体温度的升高而升高，随相对湿度和流量的升高而降低；提高增湿气体温度、相对湿度以及流量均可提高水分传递量，但提高温度对整个过程水分传递能力的促进效果最为明显.

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（责任编辑：金顺爱，王晓燕）

Experiment on Recovering Moisture of PEMFC Exhaust by a Porous Media Plate

Wang Shixue1，2，Lu Chi2，Wang Fei2，Yang Bo1，2，Shao Guangwei2
（1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

With regard to a kind of proton exchange membrane fuel cell humidifier using porous media plate，an experimental measurement system was set up to study the characteristics of the heat and moisture transfer through the porous media plate. Using this system，the temperature，the relative humidity and the flow rate of humidifying（the exhaust gas of fuel cell）and humidified（the cathode gas of fuel cell）gas were measured，and the influences of those factors on the characteristics of heat and moisture transfer through porous media plate were compared. The results show that，when the same kind of porous media plate was used，reducing the flow rate and increasing the inlet temperature and the relative humidity of humidifying gas can improve the heat exchange through the porous media plate；increasing the inlet temperature of humidifying gas and reducing the flow rate and the relative humidity of humidifying gas can improve the water recovery ratio；increasing the inlet temperature，the flow rate and the relative humidity of humidifying gas can improve the amount of water movement.

proton exchange membrane fuel cell；humidifier；porous medium plate；heat and moisture transfer

TM911.42

A

0493-2137（2015）12-1057-06

10.11784/tdxbz201409053

2014-09-21；

2014-12-01.

科技部国际合作资助项目（2011DFA60290）.

王世学（1964—），男，博士，教授.

王世学，wangshixue_64@tju.edu.cn.

网络出版时间：2014-12-09. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20141209.1444.001.html.