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        PEMFC 氣體加濕網(wǎng)格化控制

        2020-03-06 11:41:06雷梟丁小松
        環(huán)境技術(shù) 2020年1期
        關(guān)鍵詞:冷凝尾氣濕度

        雷梟,丁小松

        (1.中國電器科學(xué)研究院股份有限公司,廣州 510860; 2.廣州擎天實業(yè)有限公司,廣州 510860)

        引言

        PEMFC 作為解決世界能源與污染問題新的發(fā)展方向,其研究及應(yīng)用突破不斷[1-3]。燃料電池反應(yīng)氣加濕是保證電池正常、高效運行不可缺的一項重要處理流程,是影響燃料電池效率和性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如何實現(xiàn)反應(yīng)氣的快速加濕,大范圍流量濕度簡便可控,本文利用PEMFC 運行原理,通過氣體加濕回路改造,設(shè)計了一種網(wǎng)格型控制策略,實現(xiàn)了氣體加濕的簡便廣度控制。

        1 加濕必要性及存在問題

        PEMFC 膜的導(dǎo)電性能強烈依賴其含水量[4],膜電阻與其水飽和度正相關(guān)。如果生成水與加濕水之和小于電池的排水量,則質(zhì)子膜脫水,使電池內(nèi)阻增大,電壓減低;而生成水與加濕水之和大于排出水,則電極被淹,影響氣體擴散,使電池性能減低,甚至導(dǎo)致電池?zé)o法工作[4,5]。為使電池具有良好的性能,必須設(shè)法使質(zhì)子膜始終保持濕潤狀態(tài)[6],而電極又不被淹,維持電池內(nèi)的水平衡。

        假電池增濕增加了電池的成本、體積和重量,并且系統(tǒng)復(fù)雜。鼓泡增濕濕度難以精確控制[7],且大流量時液態(tài)水帶出過多,易堵塞氣體流場,引起液態(tài)水凝聚,導(dǎo)致傳質(zhì)過程受阻,使反應(yīng)氣通過氣體擴散層的速度減低,惡劣情況甚至?xí)蜎]催化劑的活化點。滲透膜簡單,但其水的擴散通量固化受限,大范圍適應(yīng)能力差,可靠性不佳不適宜長時間使用[8],且價格昂貴;焓輪增濕系統(tǒng)不僅質(zhì)量大,且不易密封,尾氣易返混。自增濕現(xiàn)階段適用功率范圍小,且電池組體積、重量、結(jié)構(gòu)設(shè)計龐雜[7]。

        2 加濕回路改造及控制策略

        如何實現(xiàn)反應(yīng)氣的快速加濕,同時使PEMFC 堆運行系統(tǒng)簡單、維護簡便、運行可靠。PEMFC 電堆運行系統(tǒng)如圖1 所示,PEMFC 堆運行時換熱/加濕器能同時將反應(yīng)氣溫度升高、濕度增加,經(jīng)質(zhì)子膜轉(zhuǎn)換后,剩余濕潤反應(yīng)氣攜帶反應(yīng)生成水排出。因PEMFC 運行溫度范圍60~80 ℃,且PEMFC 效率50 %左右[9],反應(yīng)時伴生的熱會提高反應(yīng)堆溫度,導(dǎo)致出口反應(yīng)氣溫度、濕度仍處于高位。過量氫循環(huán)或尾氣排放時,水的不可壓縮性會對壓縮機或噴射泵造成損傷,尾氣排放壓力控制器又不足以長期耐受60~80 ℃沖擊;冷凝水在管道附著、沉積,不僅影響壓力控制執(zhí)行元件的密封性,且隨環(huán)境溫度減低,又有漲破管道風(fēng)險??刹捎美淠鲗Τ隹陲柡蜌怏w快速降溫冷凝除濕,冷凝后的氣液混合物,通過高效除水器后,氣體溫度、濕度均滿足壓縮及尾氣排放裝置需求。

        反應(yīng)氣入堆前的加濕過程中,加濕水由泵加壓注入,水量隨氣流量大小調(diào)節(jié),而泵流量較大,需輸送的加濕水較少,如50 kW 堆<200 kg/h,供需參數(shù)的不匹配,外加調(diào)節(jié)遲滯誤差,使加濕水量偏多,反應(yīng)氣過飽和,導(dǎo)致堆的電氣性能下降[10]。如在管路中串入除水器[11],形成一個有濾水功能的緩沖節(jié),將加濕后反應(yīng)氣過飽和的水去除,使反應(yīng)氣濕度保持70~90 RH%區(qū)間。換熱加濕與冷凝除濕裝置的作用看似相反,但其設(shè)計原理一致,可由同一規(guī)格不同應(yīng)用實現(xiàn)。以此對加濕回路進行改造,加濕回路改造示意如圖2 所示,形成了器件一致,對稱易維護的經(jīng)濟型結(jié)構(gòu)。

        氣體加濕控制原理如圖3 所示,控制由變頻器f,流量控制閥開度d、及濕度傳感器S 及綜合控器組成,將反應(yīng)氣流量以10 %分格,每一流量下的濕度亦按10 %分格,形成10×10 網(wǎng)格狀態(tài)表。隨反應(yīng)氣逐量程逐濕度精確實測,將對應(yīng)狀態(tài)下的f、d 值分別記錄,完善為控制參數(shù)表。多次實測修正參數(shù)及驗證后。再進行反向逆驗證,設(shè)置任一狀態(tài)點f、d 值,觀測此時對應(yīng)傳感器S檢測濕度與狀態(tài)表偏差,反復(fù)實測修正參數(shù)及驗證,確認最優(yōu)參數(shù)后,可精簡濕度傳感器S。

        圖1 PEMFC 電堆運行系統(tǒng)

        圖2 加濕回路改造示意

        圖3 氣體加濕控制原理

        3 展望

        PEMFC 作為一種由眾多子系統(tǒng)組成的龐雜大系統(tǒng),系統(tǒng)中的每一部分既相互獨立,又相互聯(lián)系,任一部分狀態(tài)好壞都將直接影響電池性能。隨著氫能行業(yè)的快速發(fā)展,中國將繼續(xù)加大燃料電池技術(shù)的研發(fā)和投入,推動核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)中國化。高效、穩(wěn)定的PEMFC 研制、測試及運行,會迎來更廣泛深入的研究及探索。

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