技术干货分享｜氢燃料电池加湿器性能测试解决方案

Posted 2021-04-02 长城氢能检测

在燃料电池发动机系统中，除核心部件电堆外，附属零部件的作用也极其重要，如加湿器、空气压缩机、氢循环泵、引射器、去离子器及水泵等。

燃料电池发动机在运行过程中，质子交换膜含水率对电堆的性能和寿命有重要作用：若质子交换膜含水率过低，就不能有效传导质子，电堆性能下降，长时间运行甚至会导致质子交换膜损坏，最终燃料电池发动机无法正常工作；若质子交换膜含水率过高，会导致水淹，燃料电池发动机也无法正常工作。因此，进气加湿控制技术对保持质子交换膜适当的含水率，提高燃料电池发动机性能具有重要意义。通过加湿器(图1)对进入燃料电池发动机的反应气进行加湿，使质子交换膜含水率保持在最佳状态，是提高燃料电池发动机性能的有效方式。

图1 加湿器

加湿器需具备流阻小、加湿性能高、制作简单等优点，同时还应具有较好的水分子传输及阻止空气中其他成分的通过能力。常见的加湿方式主要有鼓泡加湿法、液态水喷射加湿法、湿膜加湿法、中空纤维加湿法和焓轮加湿法。而中空纤维加湿器和膜加湿器在燃料电池发动机系统中应用最为广泛。

中空纤维加湿器主要由内部亲水材料制作的均质无孔中空纤维和外部壳体组成。运行时，电堆排出的高温高湿气体从中空纤维束外侧流过，待加湿气体从中空纤维束内侧流过，水由于浓度差扩散作用从中空纤维外侧扩散至内侧，并蒸发进入反应气体中，完成对气体加湿。通过对气体流量、中空纤维材料、中空纤维丝表面积、排气温度、排气的流量、气液间压差来调节加湿量的大小，可得到特定工况的反应气体，满足燃料电池发动机的正常运行。

膜加湿器主要是由壳体、湿膜加湿器芯体等组成。运行时，电堆排气中的水分被湿膜材料吸收，形成均匀的水膜；当干燥的空气通过湿膜材料时，水分子充分吸收空气中的热量而汽化、蒸发，使空气的湿度增加，形成湿润的空气。通过调节气体流量、湿膜的大小和厚度以及水温来改变湿膜加湿器加湿量的大小。可将具有特定工况的反应气体送入电堆，满足燃料电池发动机的正常运行。

为验证加湿器能满足燃料电池发动机需求，长城氢能检测燃料电池发动机零部件试验室建立了加湿器测试能力，可实现以下功能：

1.模拟空气系统中冷器输出空气，输出压力、温度、流量可调的干燥空气；

2.模拟电堆阴极出口，能够输出温度、压力、流量、湿度可调的增湿空气；

3.模拟进入电堆增湿过的空气，可控制压力、温度、湿度，并且记录流量；

4.模拟加湿器出口的空气，可控制压力、温度、湿度，并且记录流量。

通过模拟加湿器进口的流量、压力、温度、湿度等运行条件，测量得到加湿器出口的各项数据。试验项目包括加湿器内漏测试、加湿器外漏测试、加湿器流阻测试及加湿器性能测试，测试范围见表1。

表1  测试范围

通过对某80kW配套的标称最大流量5000 SLM、标称工作温度-40℃～95℃、标称最大工作压力0.25Mpa的加湿器进行测试，得到以下结果。其中表2和表3分别为加湿器外漏数据和内漏数据；图2为流阻测试数据；图3至图5为性能数据。可以看出加湿器干侧气体为最大流量时进出口压损小于10kPaa，在干进最大流量4950SLM时，干出湿度仍可达到52.3%RH，满足客户要求的50%RH最低标准，具有较好的性能。

表2  外漏泄漏量

表3  内漏泄漏量

图2 气体压力与干侧进气流量关系

图3 气体湿度与干侧进气流量关系

图4 气体露点温度与干侧进气流量关系

图5 气体温度与干侧进气流量关系

长城氢能检测分公司现已具备储氢系统及零部件、燃料电池发动机及零部件、动力总成和整车的测试能力，现已完全对外开放。

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