PEM燃料電池動態加載時輸出特性的在線測量

董新平，閆潤瑛

(許昌學院電氣信息工程學院，河南許昌461000)

質子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具備無污染、高效率、低溫啟動、低噪聲、可快速補充能量等特性，被公認為是今后電動汽車上最理想的驅動電源［1-4］．其反應過程不涉及燃燒和熱機做功，能量轉換效率不受“卡諾循環”的限制，能量轉換效率能達到60% ～70%，實際使用效率是普通內燃機的兩倍左右［1］．因而盡管還存在成本偏高等問題，燃料電池技術的新突破仍將成為21世紀汽車工業競爭的焦點之一．影響PEMFC性能的主要技術參數有工作溫度、工作壓力、動態輸出特性等．與電動汽車實際運行中啟動、加速、減速以及剎車等工況相對應，PEMFC在變載情況下的動態電流、功率等輸出特性以及不同溫度下PEMFC的功率輸出特性是燃料電池實驗的重要內容［5-7］．為了提供燃料電池系統的運行參數并提供工業建模所需實驗數據，要求實驗數據能自動記錄、保存，能進行在線實時顯示并能根據實時數據繪制出輸出功率或電流隨荷載變化的曲線，進行數據的離線處理和分析．在一定條件和精度要求下，利用動態數據采集和分析系統可初步實現以上要求［8-10］．如果采用傳統電壓表和電流表對PEMFC的電流、電壓和功率特性進行手工測量，因為教學實驗用的PEMFC裝置存在電流輸出在峰值附近出現波動的現象，很難對輸出的電流和功率的峰值附近的數據進行準確測量，存在測量數據少、無法實時顯示測量結果以及無法準確測量PEMFC的動態輸出特性等缺點．

為解決以上問題，本文提出了一種在線測量教學用燃料電池動態輸出特性的方法．此方法利用PASCO 750型數據采集和分析系統對PEMFC的動態輸出特性進行在線測量，能對測量數據進行實時記錄、顯示和離線分析．采用這種方法不僅可以克服傳統實驗不能精確測量電流和功率峰值、無法對實驗數據的進行連續采集和實時顯示的缺點，同時還提供了一種與工程實踐密切相關的實驗方法．這對于深入研究PEMFC的特性以及培養學生的了解貼近工程實際的實驗方法將起到積極作用．

1 實驗原理和裝置

實驗所用PEMFC裝置如圖1所示．去離子水經過電解裝置電解為H2和O2，H2進入充滿去離子水的貯氫罐，壓力上升后由于罐內水的重力形成對H2的密封．H2在壓力作用下進入PEM燃料電池，在催化劑作用下進行相應的氧化還原反應．圖2簡要說明了PEMFC的結構和工作原理．氫氣在氫燃料電池陽極的催化劑作用下發生氧化反應，反應產生的氫離子通過質子交換膜到達陰極，同時反應產生的電子經過外電路也到達陰極．最終到達陰極的氫離子、電子以及陰極處的氧分子在催化劑的作用下發生還原反應生成水．隨著氧化還原反應的持續進行，燃料電池的外電路中由于電子的定向運動形成電流．相應的電極反應為陽極:2H2→4H++4e-，陰極:4H++4e-+O2→2H2O，總反應:2H2+O2→2H2O．

圖1 PEMFC實驗裝置

圖2 PEMFC的結構和工作原理

將PEMFC與滑線變阻器或電阻箱串聯，利用PASCO 750型數據采集、轉換系統對PEMFC的電流、電壓和功率動態加載時的輸出特性進行測量，并采用DataStudio軟件對采集的數據在線進行實時顯示和離線分析．目前常用的測量PEMFC輸出特性所用電路圖如圖3所示．圖中和分別為數字式電壓表和數字式電流表，R為電阻箱或滑線變阻器．改進的實驗裝置采用PASCO 750型數據采集、轉換系統替代數字電壓表和電流表，在連續改變荷載條件時，可以對PEMFC的動態輸出電流、電壓和功率進行在線測量．測量數據通過PASCO的模數轉換裝置轉化為數字信后，利用數據采集和分析軟件DataStudio對PEMFC的動態輸出特性進行在線顯示、分析，并對測量結果進行離線分析．為了與傳統的手工測量方法進行對比，利用電壓表和電流表以及電阻箱對PEMFC的輸出特性也進行了測量，并與改進的在線連續測量方法得到的結果進行對比．

圖3 測量電路圖

2 實驗方法

對PEMFC動態加載時的輸出特性進行測量方法如下:(1)將PEMFC的電極與PASCO 750型數據采集、轉換系統相應的實時電壓、電流采集裝置與滑動變阻器連接，并用USB接口將轉換后的數字信號與微機連接．用DataStudio軟件創建相應的電壓和電流測量窗口并建立瞬時功率的計算和顯示窗口，準備對通過荷載的電流、荷載兩端的電壓以及瞬時功率進行測量．(2)將電解池與電源連接產生氫氣和氧氣，然后將電解池、PEMFC與貯氫罐連接．待貯氫罐內產生15 ml氫氣后，打開燃料電池的出口，為燃料電池反應室充入氫氣并對PEM進行濕潤，同時清除殘留氣體，關閉反應室出口．最后待貯氫罐內再次充滿15 ml氫氣后關閉出口，準備進行相關測量．每一組新的測量之前均應該重復充入氫氣和清除殘余氣體的操作，以避免測量誤差和其它氣體的影響．(3)測量分別針對PEMFC不同工作條件下的特性進行測量．通過測量窗口開始測量進程之后，分別觀測負載連續減小以及不同溫度下氫燃料電池的動態功率輸出特性．

3 實驗數據與分析

圖4是利用電壓表和電流表以及電阻箱對PEMFC的電流、電壓及瞬時功率的進行手工測量得到的結果．測量結果表明，隨著荷載電阻的減小，回路中的電流開始增加，荷載兩端的電壓開始減小．在此過程中荷載上的瞬時功率持續增加，當電阻箱阻值為3．3 Ω時輸出功率的平均值達到最大值0．021 W，當阻值繼續減小時，輸出功率隨之減小．

采用采用滑線變阻器作為荷載，從200 Ω開始連續減小荷載電阻，對PEMFC的動態輸出特性進行在線連續測量．測量結果如圖5所示．從圖5中可以看出，在測量進行到13．94 s時，瞬時電流、瞬時電壓以及瞬時功率分別為0．179 A、0．410 V和0．073 W．與人工測量結果相比，功率—電流的變化趨勢基本一致．但是采用在線測量方法可以清楚地看到，在電流和功率的峰值附近，荷載發生變化的短暫時間(約0．05～0．1 s)內瞬時電流和瞬時功率會存在一定程度的突變．對此現象文獻［6］的研究結果指出，在動態加載時，電流較大且電流變化較快時，PEMFC的輸出電壓和內阻會發生一定的波動．陰極由于出現水淹現象導致催化劑活性下降，從而使電池的性能下降，輸出電流下降，使得荷載上的電流無法穩定［6］．因此如果用人工方法對PEMFC峰值附近的輸出特性進行測量，由于輸出電流和功率變化非常快，幾乎無法進行有效地測量．

對比圖4和圖5可以看出，兩種測量方法測量的結果明顯不同．采用數字電壓表和電流表進行人工測量，得到的電流和功率峰值均小于在線測量的結果．人工測量方法雖然能對特定負載下PEMFC的輸出特性進行精確測量，但是無法反映峰值附近快速變化的動態輸出特性．而采用在線連續測量的方法不僅可以實現對測量數據的動態實時采集和顯示，還可以對PEMFC電流和功率峰值附近的變化細節給出精確的描述．這不僅有利于準確掌握PEMFC的動態輸出特性，還便于對實驗數據進行離線分析和處理．

圖4 PEMFC的功率—電流輸出特性(人工測量)

圖5 連續加載時PEMFC的輸出特性(在線測量)

為了分析溫度變化對PEMFC性能的影響，對溫度為19℃、29℃和39℃時電阻為10 Ω時的電流和功率輸出特性進行了測量．測量結果表明，隨著溫度的上升，荷載上的平均電壓分別為0．557 V、0．514 V、0．161 V，平均電流分別為0．031 A、0．034 A、0．140 A，輸出功率分別為 0．017 W、0．018 W、0．023 W．由此可以看出升高溫度能夠在一定程度上能增大PEMFC的輸出功率．

4 結語

本文提出了一種動態加載時在線測量氫燃料電池輸出特性的方法．利用此方法分別對負載連續變化以及不同溫度加載工況下PEMFC的電流、電壓和功率的動態輸出特性進行了在線測量和分析，實現了對測量數據的實時觀測和離線分析．與手工測量方法相比，該方法能夠對PEMFC的輸出電流和功率峰值附近的輸出特性進行準確測量，同時還克服了傳統手工測量方法不能進行連續在線測量、無法實時顯示測量數據的缺點．實驗方案將對促進學生理解氫燃料電池的原理和特性，了解貼近工程實踐的實驗方法和數據分析方法起到積極的作用．

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