多孔碳板氣-氣增濕器新型設計方法

劉 鵬，羅馬吉，周 繁

(武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢430070)

質子交換膜燃料電池是一種能將燃料中的化學能直接轉換為電能的高效低污染能量轉換裝置?，F(xiàn)有的質子交換膜燃料電池一般都需要對進入燃料電池電堆的氣體進行加濕，防止質子交換膜脫水，因此燃料電池系統(tǒng)中一般都包括了獨立于電堆的增濕子系統(tǒng)［1］。但是現(xiàn)在常用的各種增濕技術存在著自身的局限性，要找到可靠性和增濕性能俱佳的增濕方法，設計新型燃料電池增濕器是燃料電池真正實現(xiàn)商業(yè)化亟待解決的問題之一［2-3］。

多孔碳板是一種多孔材料，它允許水蒸氣或液態(tài)水在壓力梯度和(或)濃度梯度作用下由一側滲透到另一側，同時多孔碳板的密度小，導熱性能較好，因此，非常適合制作質子交換膜燃料電池的增濕器［4］。武漢理工大學燃料電池課題組設計并制作了以高溫冷卻循環(huán)水為增濕介質的多孔碳板水-氣增濕器，并將這種增濕器應用于燃料電池系統(tǒng)，取得了較好的效果［5］。然而這種增濕器還沒有有效利用燃料電池尾氣中的水分和能量，并且由于增濕過程要消耗水，因此每隔一段時間需要向冷卻系統(tǒng)額外補充去離子水。筆者設計了一種以燃料電池濕熱尾氣為增濕介質的多孔碳板氣-氣增濕器，該設計以氣體在增濕器流道內停留時間與水蒸氣由碳板表面擴散到流道中心時間的比值(停留-擴散時間比)以及流道內氣體流速作為設計依據(jù)，提出了增濕器設計流程，并根據(jù)一個25 kW 燃料電池系統(tǒng)的增濕要求優(yōu)化設計了一個多孔碳板氣-氣增濕器。

1 多孔碳板氣-氣增濕器

多孔碳板增濕器的增濕原理是液態(tài)水或水蒸氣通過可滲水的介質滲透到新鮮干燥空氣中，實現(xiàn)增濕的效果。由于多孔碳板的不可彎折性，多孔碳板增濕器通常采用平板式結構形式［6］。

多孔碳板增濕器以燃料電池高溫濕熱尾氣為增濕介質時，稱為多孔碳板氣-氣增濕器，其增濕系統(tǒng)布置如圖1 所示。該增濕器布置形式能夠充分利用尾氣中的水分和熱能，有利于提高燃料電池系統(tǒng)效率，且與其他增濕方式如鼓泡增濕、焓輪增濕相比，不需要額外能量的提供，能提高燃料電池系統(tǒng)的效率，且沒有運動部件，無噪音［7］。

圖1 多孔碳板氣-氣增濕系統(tǒng)布置圖

多孔碳板氣-氣增濕器整體結構如圖2(a)所示，是將許多刻有流道的多孔碳板堆疊起來。增濕器的多孔碳板設計如圖2(b)所示，新鮮干燥空氣流道與濕熱尾氣流道均為直流道，且相互垂直。增濕器工作的時候，濕熱尾氣流過多孔碳板上的流道，水分吸附在碳板表面凝結為液態(tài)水，在壓力差與濃度差的作用下，水滲透過碳板中的微小孔隙到達新鮮干燥空氣流道表面，迅速蒸發(fā)進入流動的新鮮空氣，完成對新鮮空氣的增濕。并且水分在傳輸過程中占據(jù)了多孔碳板中大部分的孔隙，有效防止了尾氣竄入新鮮空氣中。

圖2 多孔碳板氣-氣增濕器設計

2 停留-擴散時間比

多孔碳板氣-氣增濕器增濕過程既包括水分從濕熱尾氣向干燥空氣的傳遞過程，也包括熱量從高溫氣體向低溫氣體的傳遞過程，同時還包括冷凝與蒸發(fā)等水的相變現(xiàn)象，這些過程耦合在一起，使得對增濕過程的模擬計算變得很復雜。因此有必要采用簡單的公式和模型來預測增濕器的增濕性能，為增濕器的設計提供依據(jù)。RYAN［8］提出利用氣體在增濕流道內的停留時間τ 與水分子擴散到流道中心的時間τD的比值R(筆者稱為停留-擴散時間比)來描述平板式增濕器的增濕性能，只有當氣體通過流道的停留時間大于水蒸氣在流道內的擴散時間，即R＞1 時，增濕器才可能有較好的增濕性能。

利用這種方法描述平板式增濕器性能時需要假設多孔碳板為飽和多孔介質，即多孔碳板內部孔隙全部被液態(tài)水或水蒸氣占據(jù)，并且增濕器流道內氣體流動為層流流動。筆者設計的多孔碳板氣-氣增濕器使用燃料電池濕熱尾氣為新鮮干燥空氣增濕，濕熱尾氣的含濕量很高，甚至尾氣中還會有液態(tài)水存在，因此可以保證多孔碳板內孔隙全部被水蒸氣或液態(tài)水占據(jù)。為了防止增濕器流道的流動阻力過大，一般要合理設計流道的幾何尺寸，以保證流道內氣體流速較小，此時氣體流動一般為層流流動。筆者設計的多孔碳板氣-氣增濕器符合這兩個條件，可以利用停留-擴散時間比R來描述其性能。

增濕器流道長、寬、高這3 個方向的尺寸分別設為l，w，d，如圖2(b)所示。氣體在流道內的停留時間τ 可以由流道長度除以氣體流速得到，即：

其中：n為每個多孔碳板上的流道數(shù);Q為氣體的體積流量;m為增濕器多孔碳板總片數(shù)。由于增濕器是由流通新鮮干燥氣體的多孔碳板和流通燃料電池尾氣的多孔碳板相互間隔交錯堆疊而成，因此流通新鮮干燥氣體的多孔碳板和流通燃料電池尾氣的多孔碳板的片數(shù)都為m/2。

對于新鮮干燥空氣流道，水分同時從上下兩個多孔碳板表面向流道內部擴散，因此主要關心水分子從飽和多孔碳板表面擴散到流道中心的時間τD。水分子在流道內的擴散時間為：

其中，Dva為流道內水蒸氣在空氣中的擴散系數(shù)，可以由式(4)計算得到［9］：

其中，D0為p0、T0狀態(tài)下的擴散系數(shù)，當p0=1.013×105Pa，T0=298 K 時，D0=2.2×10-5m2/s。

由式(3)和式(4)可得停留-擴散時間比R為：

R反映了增濕器內氣體流速與水分擴散速度之間的關系，R越大，表明氣體分子在增濕器內停留時間越長，水分子擴散到干燥空氣中所需的時間越短，增濕效果越好。但是如果R值過大，增濕器的幾何尺寸太大，允許的氣體流量太小，就限制了增濕器在燃料電池系統(tǒng)中的應用。因此R值應該在一定范圍之內，既不會因其太小而影響增濕性能，也不會因其太大導致增濕器體積過大。文獻［10］通過實驗證明當R值小于2 時增濕器增濕效率(濕熱尾氣中水蒸氣傳遞到干燥空氣中的百分比)隨R值增大而迅速增大，當R值大于2時效率增大明顯變慢，當R值大于4 時增濕效率幾乎不再增大。因此合適的增濕器尺寸設計應該使增濕器在配套電堆要求的氣體流量條件下工作時，R值在2 ～4 之間。

3 多孔碳板增濕器設計流程

對于以空氣為氧化劑的燃料電池，氧氣僅占空氣體積的21%，且一般空氣過量系數(shù)在2 ～4之間，因此雖然燃料電池工作過程中消耗氧氣的量與生成水蒸氣的量并不完全相等，但是可以認為燃料電池進氣空氣流量與尾氣空氣流量近似相等，即增濕器干燥空氣側的流量與濕熱空氣側的流量相等。因此流通干燥空氣的多孔碳板與流通濕熱空氣的多孔碳板的設計可以完全一樣。如圖2(b)所示，新鮮干燥空氣流道與濕熱尾氣流道均為直流道，且相互垂直。碳板形狀為正方形，長度與寬度相等，即

其中：w為碳板上槽的寬度;r為岸寬。

假設空氣為理想氣體，根據(jù)理想氣體定律可知一定壓力和溫度下的空氣密度為：

其中：p為空氣壓力;Rg為空氣氣體常數(shù)，其值為287 J/(kg·K);T為空氣溫度，單位為K。

燃料電池所需空氣體積流量Q為：

一般來說減小空氣流道的深度d有利于減小增濕器的高度和體積，由式(5)可知，d越小，R值越大，增濕器的增濕性能越好。但是過小的流道深度又會導致增濕器的流動阻力過大，從而造成空氣供給系統(tǒng)附加功率損失的增加，降低燃料電池系統(tǒng)的效率，并且燃料電池濕熱尾氣中通常含有液態(tài)水珠，如果流道深度太小，會導致流道被液態(tài)水所堵塞?；谝陨戏治?，流道深度設計為1 mm。同樣，減小多孔碳板滲水部分的厚度dc也有利于減小增濕器體積，滲水部分厚度越小，其傳熱與傳質阻力也越小。但是這部分厚度太小碳板強度會降低，造成加工困難，因此滲水部分厚度設計為0.7 mm，單片碳板的總厚度dp為1.7 mm。

碳板上空氣流道的寬度w與岸寬r同樣受到多孔碳板強度的限制。由式(5)可知流道寬度越大，氣體在流道中的停留時間越長，有效增濕面積也會越大，因此增濕器的增濕效果也越好。而岸寬越小，相同面積的碳板可以布置更多的流道，增濕面積變大，也有利于提升增濕器增濕性能。但是如果流道寬度過大或岸寬過小，會導致多孔碳板強度降低，在組裝或使用過程中容易破裂，導致尾氣可能竄入新鮮空氣中，降低燃料電池性能。因此流道寬度設定為3 mm，岸寬為1 mm。

空氣流道的長度l、每片碳板上的流道數(shù)n和碳板的總片數(shù)m則由增濕器總體外形尺寸的寬、長、高(W、L、D)決定。通常燃料電池系統(tǒng)在設計時規(guī)定了增濕器允許的最大外形尺寸。因多孔碳板為正方形，則增濕器長度與寬度相等，即：

由式(6)和式(9)可得每片碳板上流道數(shù)為：

由于增濕器由多孔碳板相互堆疊而成，增濕器的高度D為碳板厚度dp與碳板片數(shù)m的乘積，故：

除了停留-擴散時間比之外，另一個在多孔碳板增濕器設計時需要考慮的參數(shù)是氣體在流道內的流速v。氣體流速越大，則氣體在增濕器內停留時間越短，增濕性能變差。層流范圍內氣體在增濕器內壓力損失與氣體流速成正比，流速增大也意味著增濕器流動阻力增大。因此增濕器的設計必須使其在燃料電池所需氣體流量下工作時，氣體流速不大于2 m/s。氣體流速可以由式(12)計算得到：

利用式(8)～式(12)可以計算得到增濕器流道中氣體流速。如果計算得到的氣體流速小于1 m/s 或者增濕器的R值大于4，則說明增濕器的設計仍有優(yōu)化的余地。一般來說，增加碳板數(shù)目會使增濕器在體積增加相同的情況下增濕性能有較大的提升。因此，在增濕器設計優(yōu)化的過程中一般保持碳板數(shù)目不變，而適當減小流道長度或單片碳板上的流道數(shù)，使氣體流速在1 ～2 m/s 之間，R值在2 ～4 之間，這樣可以使得增濕器體積最小且能夠滿足增濕要求。如果計算得到的氣體流速大于2 m/s，則說明規(guī)定的增濕器外形幾何尺寸太小，必須增大外形尺寸。完整的多孔碳板氣-氣增濕器設計流程如圖3 所示。

圖3 多孔碳板氣-氣增濕器設計流程圖

由多孔碳板氣-氣增濕器設計流程，筆者對一個25 kW 的燃料電池系統(tǒng)設計一個多孔碳板氣-氣增濕器。燃料電池額定功率Pe=25 kW，平均單片電壓Vc=0.6 V，空氣過量系數(shù)λair=2，由式(8)得到空氣體積流量Q為19.5 L/s。根據(jù)式(4)計算水蒸氣在空氣中擴散系數(shù)為1. 6 ×10-5m2/s。燃料電池系統(tǒng)允許的增濕器最大高度為0.2 m，最大長度和寬度均為0.4 m。流道寬度為3 mm，岸寬為1 mm，流道深度為1 mm，碳板厚度為1. 7 mm。將以上數(shù)值代入式(8)～式(11)，計算得到流道長度l為0.4 m，多孔碳板片數(shù)m為70，每片碳板上流道數(shù)n為100。

將初步設計結果代入式(5)和式(12)，得到空氣在流道內流速v為1.86 m/s，大于1 m/s，R值為3.44，小于4，因此增濕器的幾何尺寸仍然有優(yōu)化的余地，可以減小空氣流道的長度和每片碳板上的流道數(shù)以減小增濕器總體積。Q、m、w、d的數(shù)值不變，令流速v1=1.5 m/s，帶入式(12)得到優(yōu)化后每塊碳板上流道數(shù)n1=95。令R1=3，Q、n1、w、d的數(shù)值不變，代入式(5)得到優(yōu)化后流道長度l1=0.38 m。增濕器最終設計尺寸如表1所示。

4 試驗測試系統(tǒng)及結果分析

根據(jù)以上理論及計算，筆者設計加工了1 個25 kW 燃料電池多孔碳板氣-氣增濕器，為了研究其增濕特性，與25kW燃料電池電堆進行了聯(lián)合實驗，試驗裝置如圖4 所示。其主要包括4 個部分：

表1 增濕器設計幾何尺寸

圖4 PEMFC 測試系統(tǒng)示意圖

(1)供氣部分。①空氣端，由風機供給空氣，空氣經(jīng)多孔碳板氣-氣增濕器加濕后進入電堆陰極進氣口;②氫氣端，由氣瓶提供氫氣;在氣路中，通過調節(jié)閥門開度來控制氣體的流量與壓力。

(2)負載部分。所研制的50 kW 負載可以使電池維持穩(wěn)定的輸出電壓或電流。

(3)燃料電池堆。25 kW 電堆由筆者研制。

(4)冷卻部分。其主要由水泵、水箱、散熱器、風扇等組成，循環(huán)冷卻水在電堆冷卻液流道內循環(huán)帶走多余的熱量，流道出口處的高溫循環(huán)水經(jīng)散熱器、風扇降溫后，流入電堆冷卻水流道入口。

如圖5 所示，由風機-尾氣增濕條件下電堆性能曲線可知，風機尾氣增濕下的最大電流密度為360 mA·cm-2，只能達到比較小的電流密度，電池性能在電流密度為300 mA·cm-2時發(fā)生衰減;開機前向空氣道加入400 mL 去離子水之后，電堆性能較之前有了較大提升，最大電流密度達到540 mA·cm-2，電堆性能在電流密度為417 mA·cm-2時發(fā)生衰減。與空壓機100%增濕相比，空壓機增濕最大電流密度可達620 mA·cm-2，在達到513 mA·cm-2時性能才發(fā)生衰減。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要是風機尾氣增濕時，在開機階段，電池陰極產(chǎn)生的水量比較少，產(chǎn)生的濕熱尾氣很少，對進氣的增濕效果有限，此時質子交換膜的含濕量較低，電導率較差，內阻很大，因此性能很差。當開機前在進氣管道中補充一定體積的去離子水后，水分通過碳板進行滲透，對進氣有一定的增濕作用，電堆性能有了一定的提高。

圖5 飽和加濕與氣-氣增濕方式對電堆性能的影響

5 結論

筆者以多孔碳板為材料，提出了一種新型多孔碳板氣-氣增濕器的基本結構，并以停留-擴散時間比和流道內氣體流速為設計依據(jù)，提出了多孔碳板氣-氣增濕器的優(yōu)化設計流程。利用R值來判斷增濕器的增濕性能并不十分嚴格，沒有考慮到實際增濕的水分和熱量傳輸過程，也沒有考慮到水的相變和溫度的影響。但是這種方法仍然為增濕器的設計提供了一種經(jīng)驗公式，對設計有指導性作用，可以較為簡便地設計出增濕器的大體尺寸，并且能滿足增濕要求。

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