基于燃料电池膜水分传递特性研究的温度与湿度控制

刘洋+陶乐仁+王刚+张庆刚

摘要： 质子交换膜燃料电池（PEMFC）中保持膜的适度湿润性非常重要.模拟了质子交换膜的水环境，采用西门子S7-300PLC和力控组态软件设计了温度湿度控制系统；应用PID调节原理分别控制三种不同空气流量（1、6、10 g·s-1）情况下空气加热器和水加热器的温湿度.由数据分析可得到结论：1 g·s-1流量引起的湿度波动较大，10 g·s-1流量在高温高湿情况下出现异常.

关键词：质子交换膜； PLC； 温度控制； 相对湿度控制； PID控制

中图分类号： TM 911.42文献标志码： A

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置[1].其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）是应用最广泛的一种燃料电池，具有高功率、低污染、无噪声、低温运行、快速启动等特点.质子交换膜燃料电池在电动汽车、航天、军事等领域有着极其重要的作用，可满足车辆、船舶排放的环保要求，因此适用于新一代交通工具动力[2].随着燃料电池关键部件成本的降低、可靠性能的提高、使用寿命延长以及氢源问题的解决，实现商业化是完全有可能的[3].但是目前技术仍不成熟，成本居高不下，使用寿命有待延长，最亟需解决的问题就是质子交换膜的成本和质子交换膜的水管理.质子交换膜中的H+迁移必须伴随着水的迁移.在膜缺水的情况下，H+的传导性显著下降；但水过多不利于气体反应物扩散到催化剂上，也会使膜的机械强度降低，多余的水分直接影响燃料电池的性能和寿命，以及在高电流密度下受传质限制造成的电压降[4]、低电流密度时的电压稳定性[5]、冷启动时的可靠性[6].所以对于质子交换膜燃料电池的温、湿度控制非常重要.王诚等[7]对质子交换膜燃料电池的净水迁移进行了研究，发现当温度升高到80℃时，阳极侧质子交换膜相对含水量降低.同时因为从阴极向阳极的浓度差梯度增大，扩散系数也随着温度的升高而增大，导致净水传递系数降低.基于此，本试验将模拟燃料电池在温度为80℃、相

对湿度为80%、三种不同空气流量（1、6、10 g·s-1）

下的控制系统，通过系统出口处的压力调节阀，将压力维持在180 kPa.

1燃料电池膜水环境模型

燃料电池膜水环境模型是将干空气进行加热加湿（从空气加热器出来的干空气和从蒸汽发生器出来的湿蒸汽混合于加湿器内，过程近似于等温加湿）后，经过质子交换膜，记录湿空气经膜前后的温、湿度变化.试验台流程如图1所示.整个试验装置由空气压缩干燥机、流量控制器、空气加热器、蒸汽发生器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、压差传感器以及阀门、连接管道及保温材料组成.系统设计有上位计算机及数据测量与控制系统.通过程序设计实现试验工况的自动调节，空气参数的测量、显示、存储、计算等功能.由于燃料电池膜对于温、湿度要求较高，在试验台调试阶段，未达到控制要求指标前用金属波纹管连接试验段进、出口.

1—空气压缩干燥机；2—压力传感器；3—球阀；4—流量控制器；5—空气加热器；6—蒸汽发生器；7—加湿器；

8—湿度传感器；9—温度传感器；10—金属波纹管；11—压差传感器；12—压力调节阀

1.1干燥空气来源

本试验所用干空气（模拟燃料电池空气系统）由干空气发生器产生.该干空气发生器可提供500 kPa的干燥空气.其出口空气温度为环境温度，露点温度为-40℃.当环境温度为5℃及以上时，可保证最低相对湿度为15%；当环境温度为30℃及以上时，可保证最低相对湿度为5%.

1.2质量流量计

空气系统对燃料电池的安全和寿命影响很大[8].空压机对比产生空气流量无法控制，所以需通过质量流量计严格控制空气流量.流量控制器设置在空气压缩干燥机的出口，保证空气流量的测量不受空气温度和湿度的影响，测量范围为0～10 g·s-1.

1.3空气加热器

空气加热器的设计需保证空气和加热器翅片

充分接触及空气的混合，以保证空气温度均匀.设计加热量根据最大空气流量和试验工况最大温升并增加一定裕量后确定，本试验中设计加热量为710 W.空气加热器配置调功器后接入控制系统的控制输出信号端，控制系统根据当前空气温度调节加热器的电加热功率，从而控制空气的温度.空气加热器放置在加湿器的前面，有利于空气的加湿过程.

1.4蒸汽发生器

空气加湿通过将干蒸汽喷射到空气中实现.干蒸汽由蒸汽发生器产生.加湿器最大加湿量是根据最大空气流量和试验工况最大湿度变化量并增加一定裕量后确定.本试验的加热功率为6 kW.加湿器的控制信号接入控制系统的控制输出信号端，控制系统根据当前空气相对湿度调节

加湿器的加湿量，从而控制空气的相对湿度.

1.5温、湿度传感器

空气温、湿度测量采用Vaisala HMT337双探头相对湿度仪，其独特的专利探头可以保证测量的精度和速度.Vaisala HMT337相对湿度测量量程为0%～100%，在-40～180℃环境下其精度为±（1.5+0.015 a）%（a为湿空气相对湿度）；温度测量量程为-70～180℃，在80℃时其精度为±0.35℃.

2温、湿度控制的实现方法

在模拟控制系统中，PID控制是控制器中最常用的控制规律[9].PID控制是由P调节的比例增益和消除稳定偏差的I调节，以及抑制超调量的D调节决定调节的反馈控制.该控制器参数容易调整，稳定性好，工作可靠.本试验的温、湿度控制通过PID控制实现.

2.1温度控制

假设稳定时空气需要的加热量Q由空气温升所需的加热量Q1和散热量Q2组成，空气温升需要的热量为

别为温度设定值和空气的进口温度.

根据试验数据确定比例系数c1=Q1/Q，则稳定时需要的加热量为Q=

3温、湿度控制结果与数据分析

三种不同的空气流量（1、6、10 g·s-1）下，温度控制在80℃±1℃，相对湿度控制在80%±2%.

图2～4给出了空气流量分别为1、6、10 g·s-1时，温度和相对湿度随时间的变化，稳定时间为20 min.

流量为1 g·s-1时，温度控制比较平稳，但相对湿度波动较大，并且相对湿度一直处于不稳定状态.因为空气流量小时，从加湿器喷出的蒸汽量也小，造成压力不稳定从而引起相对湿度的波动.因此，压力是该系统优化非常重要的参数.

流量为6 g·s-1时温、湿度控制效果比较好.从图3来看，前5 min相对湿度随时间的变化波动较大，温度随时间变化波动较小，说明相对湿度的波动对温度影响不大.

流量为10 g·s-1时温度和相对湿度都产生了不稳定的突变，发生突变时温度从81.00℃降至77.22℃，对应同一时刻的相对湿度从79.93%升至91.66%，而此段时间压力一直维持在181.6 kPa左右.分析得知，流量大时，带出的蒸汽也随之增多，此时的蒸汽是含有部分液态水的湿蒸汽，湿蒸汽温度低于干空气温度，于是当湿蒸汽与空气在加湿器内混合后，湿蒸汽中水分蒸发需要的潜热正好等于干空气失去的显热，导致温度下降、相对湿度上升.

4结论

建立了燃料电池膜水环境模型，利用PLC中的PID调节和力控组态软件，控制不同流量下试验段进口的温度为80℃、相对湿度为80%；流量为1 g·s-1时，湿度波动在81%±8%，显然达不到控制要求，在以后的试验中需要减小蒸汽发生器到加湿器之间的阀门开度，使此处的压力稳定；流量为6 g·s-1时，温度和相对湿度都达到了控制要求；流量为10 g·s-1时，所需的蒸汽量大，蒸汽发生器中生成的湿蒸汽容易结露，需改进蒸汽发生器，使其在大流量时也能生成干蒸汽.

参考文献：

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

[2]吴玉厚，陈士忠.质子交换膜燃料电池的水管理研究[M].北京：科学出版社，2011.

[3]杜春慧，陈建勇.质子交换膜燃料电池的应用研究[J].能源研究与信息，2002，18（1）：48-53.

[4]华周发，余意，潘牧.动态响应对质子交换膜燃料电池性能影响研究[J].电源技术，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]王诚，毛宗强，徐景明.PEMFC净水传递研究[J].电池，2004，34（6）：391-393.

[8]谷靖，卢兰光，徐梁飞，等.燃料电池系统空气流量振荡分析与控制[J].机械工程学报，2008，44（12）：112-117.

[9]陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，1998.

[10]徐振勇.湿空气流量计算方法[J].化工自动化及仪表，1982（3）：56-59.

3温、湿度控制结果与数据分析

三种不同的空气流量（1、6、10 g·s-1）下，温度控制在80℃±1℃，相对湿度控制在80%±2%.

图2～4给出了空气流量分别为1、6、10 g·s-1时，温度和相对湿度随时间的变化，稳定时间为20 min.

流量为1 g·s-1时，温度控制比较平稳，但相对湿度波动较大，并且相对湿度一直处于不稳定状态.因为空气流量小时，从加湿器喷出的蒸汽量也小，造成压力不稳定从而引起相对湿度的波动.因此，压力是该系统优化非常重要的参数.

流量为6 g·s-1时温、湿度控制效果比较好.从图3来看，前5 min相对湿度随时间的变化波动较大，温度随时间变化波动较小，说明相对湿度的波动对温度影响不大.

流量为10 g·s-1时温度和相对湿度都产生了不稳定的突变，发生突变时温度从81.00℃降至77.22℃，对应同一时刻的相对湿度从79.93%升至91.66%，而此段时间压力一直维持在181.6 kPa左右.分析得知，流量大时，带出的蒸汽也随之增多，此时的蒸汽是含有部分液态水的湿蒸汽，湿蒸汽温度低于干空气温度，于是当湿蒸汽与空气在加湿器内混合后，湿蒸汽中水分蒸发需要的潜热正好等于干空气失去的显热，导致温度下降、相对湿度上升.

4结论

建立了燃料电池膜水环境模型，利用PLC中的PID调节和力控组态软件，控制不同流量下试验段进口的温度为80℃、相对湿度为80%；流量为1 g·s-1时，湿度波动在81%±8%，显然达不到控制要求，在以后的试验中需要减小蒸汽发生器到加湿器之间的阀门开度，使此处的压力稳定；流量为6 g·s-1时，温度和相对湿度都达到了控制要求；流量为10 g·s-1时，所需的蒸汽量大，蒸汽发生器中生成的湿蒸汽容易结露，需改进蒸汽发生器，使其在大流量时也能生成干蒸汽.

参考文献：

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

[2]吴玉厚，陈士忠.质子交换膜燃料电池的水管理研究[M].北京：科学出版社，2011.

[3]杜春慧，陈建勇.质子交换膜燃料电池的应用研究[J].能源研究与信息，2002，18（1）：48-53.

[4]华周发，余意，潘牧.动态响应对质子交换膜燃料电池性能影响研究[J].电源技术，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]王诚，毛宗强，徐景明.PEMFC净水传递研究[J].电池，2004，34（6）：391-393.

[8]谷靖，卢兰光，徐梁飞，等.燃料电池系统空气流量振荡分析与控制[J].机械工程学报，2008，44（12）：112-117.

[9]陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，1998.

[10]徐振勇.湿空气流量计算方法[J].化工自动化及仪表，1982（3）：56-59.

3温、湿度控制结果与数据分析

三种不同的空气流量（1、6、10 g·s-1）下，温度控制在80℃±1℃，相对湿度控制在80%±2%.

图2～4给出了空气流量分别为1、6、10 g·s-1时，温度和相对湿度随时间的变化，稳定时间为20 min.

流量为1 g·s-1时，温度控制比较平稳，但相对湿度波动较大，并且相对湿度一直处于不稳定状态.因为空气流量小时，从加湿器喷出的蒸汽量也小，造成压力不稳定从而引起相对湿度的波动.因此，压力是该系统优化非常重要的参数.

流量为6 g·s-1时温、湿度控制效果比较好.从图3来看，前5 min相对湿度随时间的变化波动较大，温度随时间变化波动较小，说明相对湿度的波动对温度影响不大.

流量为10 g·s-1时温度和相对湿度都产生了不稳定的突变，发生突变时温度从81.00℃降至77.22℃，对应同一时刻的相对湿度从79.93%升至91.66%，而此段时间压力一直维持在181.6 kPa左右.分析得知，流量大时，带出的蒸汽也随之增多，此时的蒸汽是含有部分液态水的湿蒸汽，湿蒸汽温度低于干空气温度，于是当湿蒸汽与空气在加湿器内混合后，湿蒸汽中水分蒸发需要的潜热正好等于干空气失去的显热，导致温度下降、相对湿度上升.

4结论

建立了燃料电池膜水环境模型，利用PLC中的PID调节和力控组态软件，控制不同流量下试验段进口的温度为80℃、相对湿度为80%；流量为1 g·s-1时，湿度波动在81%±8%，显然达不到控制要求，在以后的试验中需要减小蒸汽发生器到加湿器之间的阀门开度，使此处的压力稳定；流量为6 g·s-1时，温度和相对湿度都达到了控制要求；流量为10 g·s-1时，所需的蒸汽量大，蒸汽发生器中生成的湿蒸汽容易结露，需改进蒸汽发生器，使其在大流量时也能生成干蒸汽.

参考文献：

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

[2]吴玉厚，陈士忠.质子交换膜燃料电池的水管理研究[M].北京：科学出版社，2011.

[3]杜春慧，陈建勇.质子交换膜燃料电池的应用研究[J].能源研究与信息，2002，18（1）：48-53.

[4]华周发，余意，潘牧.动态响应对质子交换膜燃料电池性能影响研究[J].电源技术，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]王诚，毛宗强，徐景明.PEMFC净水传递研究[J].电池，2004，34（6）：391-393.

[8]谷靖，卢兰光，徐梁飞，等.燃料电池系统空气流量振荡分析与控制[J].机械工程学报，2008，44（12）：112-117.

[9]陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，1998.

[10]徐振勇.湿空气流量计算方法[J].化工自动化及仪表，1982（3）：56-59.