質(zhì)子交換膜燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的研究影響

劉相乾 彭威

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第712研究所，武漢 430064)

1 引言

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)對(duì)許多應(yīng)用裝置來(lái)說(shuō)是一種有發(fā)展?jié)摿Φ碾娫矗缈梢苿?dòng)動(dòng)力源、分散電站及電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域，其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行溫度低、功率密度高、響應(yīng)快速、具有快速啟動(dòng)的能力、穩(wěn)定性好及使用純氫氣時(shí)不會(huì)有環(huán)境污染等[1-3 ]。

PEMFC動(dòng)態(tài)響應(yīng)是指PEMFC在應(yīng)用作為電源或者動(dòng)力源時(shí)，負(fù)載的突然變化引起 PEMFC各參數(shù)的變化響應(yīng)。車(chē)用 PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)由于其用途的要求，對(duì) PEMFC在工況下的性能提出了比較高的要求，在啟動(dòng)、停車(chē)、加速、制動(dòng)時(shí)要有快速的響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定的工作狀況，即PEMFC輸出功率動(dòng)態(tài)的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短和性能的穩(wěn)定性。電池響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電池的性能好壞，又影響著電池的性能好壞。快速的負(fù)載變化會(huì)使電池出現(xiàn)超調(diào)和低調(diào)現(xiàn)象。低調(diào)現(xiàn)象在一定程度上影響著電池的性能和壽命[4-6]，與電池的工作條件如濕度、氣體流量、壓力、溫度等相關(guān)。要研究PEMFC的耐久性，工作之一就要研究它的動(dòng)態(tài)特性。

PEMFC的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比傳統(tǒng)電源(鉛酸電池)慢，限制了其對(duì)負(fù)載改變時(shí)的快速響應(yīng)。在應(yīng)用系統(tǒng)中，為彌補(bǔ)PEMFC 較慢的電響應(yīng)，通常要配備能量?jī)?chǔ)存設(shè)備，如電池和超大電容，這會(huì)增加系統(tǒng)的體積和成本。獲取動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的主要信息、確定能否減少電池和超大電容的容量或者進(jìn)一步移除電池和超大電容使系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，是研究 PEMFC的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的主要目的。本文將就燃料電池在驅(qū)動(dòng)不同類(lèi)型負(fù)載和不同的取電方式的模式下研究燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 電池性能

實(shí)驗(yàn)使用 GORE公司提供的 MEA，測(cè)試用單電池是 USFCC標(biāo)準(zhǔn)單電池，電池的活性面積為50 cm2。使用自帶加熱棒加熱，并外置加熱帶保持陰陽(yáng)極氣體管道溫度和實(shí)驗(yàn)設(shè)置氣體溫度一致。

2.2 測(cè)量?jī)x器

實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備使用美國(guó) Scribner Associates公司生產(chǎn)的燃料電池測(cè)試系統(tǒng)，并且使用了LeCroy 公司的數(shù)字示波器進(jìn)行精確測(cè)試電壓的瞬態(tài)波形,并進(jìn)行校正測(cè)試系統(tǒng)誤差。

2.3 測(cè)試操作

研究 PEMFC的動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)的響應(yīng)特性，使用數(shù)字示波器(Waverunner L T344)記錄暫態(tài)電壓波形，供實(shí)驗(yàn)測(cè)量使用。數(shù)字示波器的輸入阻抗是1 M?，它對(duì)電流的影響可忽略不計(jì)。使PC與數(shù)字示波器連接，可記錄暫態(tài)電壓的波形及上升和下降的時(shí)間。PEMFC 測(cè)試系統(tǒng)(850C)使用的軟件是Fuel CellTM，可以由PC 控制，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。測(cè)試系統(tǒng)的電子負(fù)載能夠提供不同的負(fù)載，便于通過(guò)改變負(fù)載對(duì)電壓建立進(jìn)行測(cè)試，并將暫態(tài)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

首先進(jìn)行不同階躍電流時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間和低調(diào)量的變化規(guī)律，在電池的加濕、電池溫度、氣體溫度、壓強(qiáng)等各項(xiàng)條件達(dá)到穩(wěn)定，并且測(cè)試性能穩(wěn)定后，進(jìn)行加載不同的負(fù)載階躍值，并記錄此時(shí)的電流電壓值。分析其變化趨勢(shì)。同時(shí)改變電池的加濕、溫度、氣體過(guò)量比系數(shù)、取電方式、負(fù)載類(lèi)型等條件進(jìn)行測(cè)試分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同負(fù)載類(lèi)型時(shí)對(duì)電池響應(yīng)特性影響

圖1為固定電流加載時(shí)的瞬態(tài)特性，此種負(fù)載為純阻性負(fù)載，在階躍電流200 mA/cm2時(shí)，響應(yīng)時(shí)間比較快，大約為0. 5 s，此時(shí)的低調(diào)量也很小，只有0.05 V。

圖2為感性負(fù)載時(shí)瞬態(tài)響應(yīng)特性，此種負(fù)載在加載瞬間會(huì)有一個(gè)電流的峰值出現(xiàn)，同樣的階躍電流相比，低調(diào)量和純電阻負(fù)載時(shí)相差很小，但響應(yīng)時(shí)間增加。對(duì)比上圖，會(huì)發(fā)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間增加到了0.2 s，而低調(diào)量的值瞬時(shí)大約為0.2 V。因此在連接此種負(fù)載時(shí)需要特別的控制以保護(hù)燃料電池。

圖1 阻性負(fù)載加載時(shí)的瞬態(tài)特性

圖2 感性負(fù)載時(shí)瞬態(tài)響應(yīng)特性

圖3顯示了在不同負(fù)載類(lèi)型，同樣的階躍電流設(shè)置，其實(shí)際電流值卻有著不同的特性，純阻性負(fù)載其實(shí)際值與設(shè)置值無(wú)合度很高，但是對(duì)于電感類(lèi)的負(fù)載，其實(shí)際值在瞬時(shí)卻有一個(gè)峰值，通過(guò)下面理論分析，認(rèn)為 PEMFC動(dòng)態(tài)響應(yīng)的電壓低調(diào)與之相關(guān)。

圖3 實(shí)際電流密度對(duì)比

3.2 不同的取電方式時(shí)對(duì)電池響應(yīng)特性影響

當(dāng)PEMFC用固定電流（constant current，cc）的方式加載時(shí)，遵循響應(yīng)模式，電壓會(huì)出現(xiàn)明顯的低調(diào)，同時(shí)需要一定的調(diào)節(jié)時(shí)間。但是應(yīng)用固定電壓（constant voltage，cv）模式加載時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)電流會(huì)有一個(gè)平滑的過(guò)渡過(guò)程，而沒(méi)有出現(xiàn)通常出現(xiàn)的低調(diào)或者超調(diào)過(guò)程，但是調(diào)節(jié)時(shí)間接近固定電流加載的模式。圖4（a-d）分別為固定電流下不同階躍、固定電流下不同化學(xué)計(jì)量比、固定電壓下電壓從大到小、固定電壓下電壓從小到大瞬態(tài)響應(yīng)特性圖。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)cv模式在應(yīng)用上明顯地更具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性。cv模式下，同樣的階躍電流，燃料電池的響應(yīng)時(shí)間接近 cc模式，但是其電壓的低調(diào)為 0。對(duì)比試驗(yàn)同時(shí)表明，在固定電壓加載的狀態(tài)下，電池可以很“平滑”的達(dá)到所需負(fù)載值，而對(duì)應(yīng)電流的瞬態(tài)響應(yīng)不會(huì)出現(xiàn)低調(diào)，同時(shí)響應(yīng)時(shí)間也和固定電流加載接近。而固定電流加載時(shí)，電池的電壓會(huì)出現(xiàn)較大低調(diào)值，同時(shí)亦需要一定的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)電池連接各種負(fù)載時(shí)，需要注意其負(fù)載自身特性，以純阻性或者接近阻性為佳，因?yàn)楦行载?fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間和低調(diào)量都會(huì)增大，而且容易引起電流的瞬時(shí)增大導(dǎo)致氣體供應(yīng)瞬間不足，而電池此時(shí)極易發(fā)生反極造成傷害。

圖4 瞬態(tài)響應(yīng)特性圖

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，本文在不同負(fù)載、不同陰極氣體過(guò)量比、不同取電模式、不同負(fù)載類(lèi)型、不同階躍電流大小的運(yùn)行條件下，利用燃料電池測(cè)試系統(tǒng)、高精度示波器，對(duì)PEMFC 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：

（1）在燃料電池加載不同類(lèi)型的負(fù)載時(shí)，其響應(yīng)特性有較大不同。同樣的階躍電流，PEMFC加載純阻性負(fù)載比加載純感性負(fù)載響應(yīng)時(shí)間更短，低調(diào)量更小。當(dāng)加載純電感負(fù)載而階躍電流200 mA/cm2時(shí)，響應(yīng)時(shí)間大約是加載純阻性負(fù)載時(shí)的4倍，低調(diào)量大約是加載純阻性負(fù)載時(shí)的4倍左右。純阻性負(fù)載更適合燃料電池特性。

（2）無(wú)論加載何種負(fù)載，隨著階躍電流增加，其響應(yīng)時(shí)間和低調(diào)量都會(huì)增加。加載純阻性負(fù)載，固定電壓加載時(shí)電池低調(diào)量為 0，而當(dāng)固定電流加載時(shí)，電池會(huì)出現(xiàn)較大低調(diào)值。兩者響應(yīng)時(shí)間接近固定電流加載。因此固定電壓加載模式較固定電流加載模式更優(yōu)。

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