USST_Arts_117060162 膜加湿器实验台的设计与运行分析

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 4.01MB 75 页 15积分
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摘 要
本文完成了质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，
PEMFC）板式膜加湿器测试系统的研制与调试，通过稳定性运行检验后进行了实
际操作运行。实验台可控制空气流经 Nafion 膜前的温度、相对湿度、压力及空气
质量流量，测试空气在流经 Nafion 膜两侧前后的压降、温度变化及相对湿度变化。
通过对板式膜加湿器内水分传热传质的研究，为板式膜加湿器的设计、优化、应
用提供数据依据。
本文介绍了在石油资源缺乏和汽车尾气污染严重的宏观背景下，突出了新能
源汽车在未来生活中的重要性，尤其是以 PEMFC 作为动力电源的新能源汽车。然
后介绍了 PEMFC 水管理的研究现状，并详细阐明了 PEMFC 内部水分迁移机理。
通过对目前加湿技术的研究现状分析，介绍了本实验台膜加湿器的工作原理，
并根据影响膜加湿器主要的四个参数进行详细分析，为实验台的设计奠定了理论
基础。同时将本膜加湿器实验台的研究内容、实验任务及实施方案进行了阐述。
实验台采用 PLC 与三维力控组态相结合的自控系统，完成了 PLC 模块进行选型，
设计了 PLC 控制程序，并采用力控组态软件设计数据处理程序。通过实验验证，
控制系统运行稳定，自动控制良好，能满足实验要求。
利用完成的实验台研究了通过膜加湿侧的压降随不同工况的变化，证实了空
气管路内的压降跟流量、粘性系数成正比例关系。加湿侧进气温度在 60~75℃范围
内，温度越高越有利于加湿，加湿侧进气温度与被加湿侧出口相对湿度呈线性关
系。在其他工况不变的前提下，空气质量流量为 2g/s 时的加湿效果要比 9g/s 时的
好。
最后，通过对膜内进行传热传质计算，发现其他条件不变时，空气质量流量
从2g/s 到9g/s 变化时，因为空气流在膜内换热效果较差，导致膜内的热流量减小。
加湿侧进口相对湿度为 95%时，膜内的热流量受空气质量流量的影响不大。空气
质量流量为 2g/s 时膜内的热流量随加湿侧进口温度的升高先增大后减小；9g/s 时
膜内的热流量随加湿侧进口温度的升高而一直增大。膜两侧空气质量流量为 2g/s，
加湿侧进口相对湿度为 95%时，膜中水传输速率最大。膜两侧空气质量流量为 2g/s
时，膜内的水传输速率随着加湿侧进口温度的升高而增大，并且加湿侧进口温度
在70~75℃时，膜内水传输速率变化最大。
关键词:质子交换膜燃料电池 膜加湿器 实验台设计 PLC 控制
系统
ABSTRACT
This paper completed A Proton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC) plate
type membrane humidifier experimental apparatus. Through the stability test and
proceed with practical operation, this experiment controls the temperature 、relative
humidity 、air pressure and mass flow rate of air flows well at inlet sides of Nafion
membrane. The pressure drop、
temperature and relative humidity changes after air flows
through both side of Nafion membrane can also be recorded with high accuracy.
Through the study of heat and mass transfer of water in plate type membrane humidifier
to provides data support for the design 、optimization 、application of plate type
membrane humidifier.
This paper introduces the background of petroleum resource shortage and seroius
automobile exhaust pollution, highlighting the importance of new energy vehicles in the
future life, especially the new energy vehicles which use PEMFC as power supply. Then
introduces the research status of PEMFC water management , and elaborated the
internal moisture migration mechanism of PEMFC.
Through analysis of the current research status of humidification technology,
introduces the working principle of this experiment, and detailed analysis of four main
parameters which impact membrane humidifier, laid a theoretical foundation for the
design of experiment table. Meanwhile, elaborated reasearch contents 、experimental
tasks and implementation plans for the membrane humidifier. The automation system
combines PLC and Sunway Forceontrol configuration. Selected PLC module, designed
the PLC control program, and designed data processing program by forcecontrol
configuration software. Verified by experiments, this control system is stable, automatic
control is good, can meet the test requirements.
Then, studies the changes of pressure drop through the membrane humidification
with different conditions, confirmed the proportional relationship between pressure drop
of membrane and flow、
viscosity coefficient. Humidifiction side inlet temperature in the
range of 60~75℃, higher temperature is favorable for the humidifier. There is a linear
relationship between humidification side inlet temperature and be humidified side. In
other conditions unchanged, the air mass flow rate for 2g/s is better than 9g/s in the
humidifying effect.
Finally, through the calculation of heat and mass transfer in membrane, and found
in other conditions unchanged, the air mass flow rate changes from 2g/s to 9g/s , due to
the poor effect of heat transfer in membrane, cause the heat flow reduced. When
humidification side relative humidity is 95%, the heat flow in membrane isn’t
influenced by air mass flow. When the air mass flow rate is 2g/s, the heat flow in
membrane with increasing humidification side inlet temperature increases first snd then
decreases. The heat flow in membrane with humidification side inlet temperature rise
has been increased when 9g/s. When the air mass flow rate in two sides of the
membrane is 2g/s and the humidification side inlet relative humidity is 95%, the water
transfer rate in membrane is maximum. When the air mass flow rate in two sides of the
membrane is 2g/s, the water transfer rate increases along with the increase of
humidification side inlet temperature, and when the humidification side inlet
temperature at 70 ~ 80 ℃, the water transfer rate in membrane has biggest change.
Key words: Proton Exchange Membrane Fuel Cell, membrane
humidifier, experimental design,PLC,control system
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ......................................................... 1
§1.1 课题的宏观背景 ................................................. 1
§1.1.1 石油资源和汽车废气污染 ................................... 1
§1.1.2 新能源汽车 .............................. 错误！未定义书签。
§1.1.3 氢能 .................................... 错误！未定义书签。
§1.2 燃料电池 ....................................................... 2
§1.2.1 燃料电池的分类及发展历史 ................................. 2
§1.2.2 质子交换膜燃料电池 ....................................... 4
§1.3 质子交换膜燃料电池水管理 ....................................... 7
§1.3.1 质子交换膜内水管理的研究现状 ............................. 7
§1.3.2 质子交换膜燃料电池内部水分迁移机理 ....................... 9
§1.4 本章小结 ...................................................... 11
第二章 膜加湿器 ..................................................... 12
§2.1 加湿技术 .....................................................12
§2.1.1 传统加湿技术 ............................................ 12
§2.1.2 新型加湿技术 ............................................ 14
§2.1.3 本实验台膜加湿器设计 .................................... 15
§2.2 膜加湿器的影响参数 ..........................................116
§2.2.1 加湿温度 ................................................ 16
§2.2.2 相对湿度 ..................................1 错误！未定义书签。
§2.2.3 反应气体流量 ........................................... 118
§2.2.4 膜两侧压力 ............................................. 19
§2.3 膜加湿器传热传质分析 .........................1 错误！未定义书签。
§2.4 膜加湿器实验台 ................................................ 18
§2.4.1 实验台研究内容 .......................................... 19
§2.4.2 主要任务 ................................................ 20
§2.4.3 具体实施方案 ............................................ 20
§2.5 本章小结 ...................................................... 20
第三章 膜加湿器控制系统的实验设计 ................................... 21
§3.1 实验系统设计 .................................................21
§3.1.1 实验系统设计原理图 ...................................... 34
§3.1.2 实验系统设计介绍 ........................................ 22
§3.2 实验装置设计选型计算 .........................................23
§3.2.1 空气压缩机 .............................................. 34
§3.2.2 压缩空气过滤器 .......................................... 34
§3.2.3 流量控制器 .............................................. 34
§3.2.4 空气加热器 .............................................. 34
§3.2.5 蒸汽锅炉 ................................................ 34
§3.2.6 空气加湿器 .............................................. 34
§3.2.7 温湿度传感器 ............................................ 34
§3.2.8 压力压差传感器 .......................................... 28
§3.2.9 电动调节阀 .............................................. 29
§3.2.10 电力调整器 ............................................. 34
§3.2.11 可编程逻辑控制器 ....................................... 31
§3.2.12 实验台其他装置部件 ..................................... 32
§3.3 基于 PLC 与三维力控的数据采集系统 .............................33
§3.3.1 控制系统介绍及控制要求 .................................. 34
§3.3.2 PLC 控制系统设计 ........................................ 35
§3.4 实验装置设备的日常维护及操作要求 .............................39
§3.4.1 日常维护 ................................................ 40
§3.4.2 操作要求 ................................................ 40
§3.5 本章小结 ....................................... 错误！未定义书签。
第四章 实验台运行与实验结果分析 ......................错误！未定义书签。
§4.1 实验台运行概况 ................................. 错误！未定义书签。
§4.2 实验台运行稳定性检验 .........................................43
§4.2.1 实验步骤 ................................................ 43
§4.2.2 数据稳定性检验 .......................................... 44
§4.3 实验结果分析 .................................................45
§4.3.1 膜两侧压降 .............................................. 46
§4.3.2 膜两侧进出口温度 ............................错误！未定义书签。
§4.3.3 膜两侧进出口相对湿度 .................................... 49
§4.3.4 待加湿侧含湿量变化 ...................................... 50
§4.3.5 膜加湿器极限工况 ........................................ 51
§4.4 本章小结 .....................................................52
第五章 传热传质计算分析 ............................................. 54
§5.1 模型假设 .................................................... 54
§5.1.1 膜内传热计算 .............................................55
§5.1.2 膜内传质计算 ............................................ 55
§5.2 理论计算分析 ................................................ 56
§5.2.1 膜加湿器内传热分析 .......................................56
§5.2.2 膜加湿器内传质分析 ...................................... 59
§5.3 本章小结 .................................................... 61
第六章 总结与展望 ................................................... 63
§6.1 工作总结 .....................................................63
§6.2 展望 ........................................................ 63
主要符号说明 ........................................................ 65
参考文献 ............................................................ 66
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 70
致 谢 ............................................................... 71
第一章 绪论
第1页
第一章 绪 论
§1.1 课题的宏观背景
当今世界正面临能源紧张、环境污染严重的问题，中国更为迫切的需要开发
新能源。其中，燃料电池作为一种负载响应速度快、效率高和零污染的能源而受
到人们的关注。并且随着我国国民经济持续、高效发展，汽车已经成为国民消费
的主要商品之一，但是汽车行业的迅速发展造成了石油资源的日益贫乏和汽车排
放废气造成的环境污染。这就迫使我们把目光投向于以燃料电池作为动力来源的
新能源汽车，尤其是以氢能为燃料的质子交换膜燃料电池备受瞩目。
§1.1.1 石油资源和汽车废气污染
众所周知，中国在与各国能源的竞争中处于劣势，人均资源占有量特别低。
其中，石油资源远占世界平均水平的比重很小，仅占 5.4%。这就增加了我国对他
国能源的依赖程度，就石油而言，目前我国一半多的石油资源依靠进口，导致国
内石油价格高涨。不成规模的能源储备，较弱的应急措施，造成我国能源形势非
常严峻[1]。与此同时，国内汽车数量如雨后春笋般增长，从 2013 年的汽车销量数
据来看，同比增长了 13.87%[2]。中国汽车市场的迅速增长又极大的促进了对石油
资源的需求。所以，我国的石油资源已经不能满足增长迅速的汽车需求。此外，
中国的汽车尾气废气排放控制技术非常落后，绝大多数汽车又集中在城市，使得
城市汽车污染造成的雾霾问题越来越受到人们的关注。我国城市当前的汽车污染
情形不容乐观，经常出现由于汽车污染而导致污染物超标情况[3]。汽车的排放量，
包括一氧化碳，氮氧化物，碳氢化合物，光化学烟雾，PM2.5 等，他们都不同程
度的危害人类健康和动植物的生长，甚至会导致人体死亡[4]。目前汽车排放污染日
趋严重，很多城市遭受着雾霾给生活带来的不便，所以对汽车废气污染进行有效
的控制已经成为制约我国环保的重要问题。
§1.1.2 新能源汽车
实现新能源汽车全面发展，不仅可以节约能源，还能够减少对石油的依赖，
甚至无污染排放。因此，新能源汽车的普及既能满足我国对能源的迫切需求，也
能解决汽车尾气污染问题，实现我国汽车行业的可持续发展。但是中国在新能源
汽车领域的技术稍有落后，我国需要将改进型技术创新发展为发明创新，以拥有
燃料电池汽车的核心技术[5]。有人认为，新能源燃料电池汽车很快就会成为被大众
化普及的高新型技术产品[6]。
§1.1.3 氢能
氢在通常情况下是一种气体，在低温下可以成为液体；在温度降低至 14k 时，
成为固体。氢的燃点低、火焰传播速度快、燃烧产生的热量比相同质量汽油燃烧
的热量要高出 2.8 倍，以氢能为燃料汽车的燃料有效利用率比汽油高出近 20%。氢
被应用到燃料电池汽车中，成为重要的能源载体，促使燃料电池汽车成为 21 世纪
的绿色环保汽车[7]。
上海理工大学硕士学位论文
第2页
§1.2 燃料电池
燃料电池是通过转化燃料化学能变成电能的电池，与一次电池和二次电池有
着本质的区别。一次电池需要活性物质反应来供电，一旦反应结束，电池就报废
掉。二次电池虽然可以重复使用，但在充电时却不可以，对燃料电池而言，只要
满足燃料的不断供给，就能连续放电，不受时间与空间的限制，操作简单，节省
人力[8]。由于它具有高能量转换率、低噪声和接近于零的尾气污染，成为热门研究
方向[9]。
对于二次电池，铅酸电池已经被广泛应用到电动车中，但是制备铅酸电池的
过程，以及废弃的铅酸电池都会对我们的生活造成严重的污染。并且铅酸电池在
使用过程中容易产生硫化，硫化会导致电池容量不足，从而加剧电池的损坏[10]。
近年来，锂离子电池以耐高温、寿命长、环保等特点而受到人们的关注，它的使
用范围涵盖了各类电子产品。但是这些供电产品都是小型化商品，如果要应用到
电动自行车和电动轿车中，对电池的安全性提出更高的要求，并且它的成本也需
要降低。正是因为这样，很多科研人员致力于对锂离子电池各方面的研究[11]。
§1.2.1 燃料电池分类及发展历史
燃料电池主要有五大类，从构成燃料电池电解质的差异来分：质子交换膜燃
料电池（PEMFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸
盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）。他们的不同点和特性如表
1-1 所示。
表 1-1 燃料电池分类及特性
电池类型
PEMFC
PAFC
AFC
MCFC
SOFC
工作温度
（℃）
室温-100
175-200
100-250
650-700
900-1000
电解质
质子交换膜
磷酸水溶液
KOH 水溶液
KLiCO3
ZrO2-Y2O3
导电离子
H+
H+
OH-
CO32-
O2-
优点
高功率、低
污染、无噪
声、低温运
行、快速启
动
效率较高、
对燃料纯度
要求不高
反应快、工
作特性好
效率高、可
用多种燃料
及成本低的
金属做催化
剂
易维护、效
率高、可用
多种燃料及
成本低的金
属做催化剂
缺点
成本高、质
子交换膜水
管理问题、
对燃料的纯
度要求高
输出电流较
低、体积较
大
对燃料、氧
化剂纯度要
求高
有腐蚀性、
高温会加速
燃料电池部
件的损坏
高温会加速
燃料电池部
件的损坏
摘要：

摘要本文完成了质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC）板式膜加湿器测试系统的研制与调试，通过稳定性运行检验后进行了实际操作运行。实验台可控制空气流经Nafion膜前的温度、相对湿度、压力及空气质量流量，测试空气在流经Nafion膜两侧前后的压降、温度变化及相对湿度变化。通过对板式膜加湿器内水分传热传质的研究，为板式膜加湿器的设计、优化、应用提供数据依据。本文介绍了在石油资源缺乏和汽车尾气污染严重的宏观背景下，突出了新能源汽车在未来生活中的重要性，尤其是以PEMFC作为动力电源的新能源汽车。然后介绍了PEMFC水管理的研究现状，并详细阐明了P...

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