質子交換膜燃料電池動態響應特性的研究影響

劉相乾 彭威

(中國船舶重工集團公司第712研究所，武漢 430064)

1 引言

質子交換膜燃料電池(PEMFC)對許多應用裝置來說是一種有發展潛力的電源，例如可移動動力源、分散電站及電動車領域，其優點是運行溫度低、功率密度高、響應快速、具有快速啟動的能力、穩定性好及使用純氫氣時不會有環境污染等[1-3 ]。

PEMFC動態響應是指PEMFC在應用作為電源或者動力源時，負載的突然變化引起 PEMFC各參數的變化響應。車用 PEMFC發動機由于其用途的要求，對 PEMFC在工況下的性能提出了比較高的要求，在啟動、停車、加速、制動時要有快速的響應時間和穩定的工作狀況，即PEMFC輸出功率動態的響應時間長短和性能的穩定性。電池響應時間的長短取決于電池的性能好壞，又影響著電池的性能好壞。快速的負載變化會使電池出現超調和低調現象。低調現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。要研究PEMFC的耐久性，工作之一就要研究它的動態特性。

PEMFC的動態響應比傳統電源(鉛酸電池)慢，限制了其對負載改變時的快速響應。在應用系統中，為彌補PEMFC 較慢的電響應，通常要配備能量儲存設備，如電池和超大電容，這會增加系統的體積和成本。獲取動態響應特性的主要信息、確定能否減少電池和超大電容的容量或者進一步移除電池和超大電容使系統簡單化，是研究 PEMFC的動態響應的主要目的。本文將就燃料電池在驅動不同類型負載和不同的取電方式的模式下研究燃料電池動態響應特性。

2 實驗

2.1 電池性能

實驗使用 GORE公司提供的 MEA，測試用單電池是 USFCC標準單電池，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極氣體管道溫度和實驗設置氣體溫度一致。

2.2 測量儀器

實驗測試設備使用美國 Scribner Associates公司生產的燃料電池測試系統，并且使用了LeCroy 公司的數字示波器進行精確測試電壓的瞬態波形,并進行校正測試系統誤差。

2.3 測試操作

研究 PEMFC的動態負載時的響應特性，使用數字示波器(Waverunner L T344)記錄暫態電壓波形，供實驗測量使用。數字示波器的輸入阻抗是1 M?，它對電流的影響可忽略不計。使PC與數字示波器連接，可記錄暫態電壓的波形及上升和下降的時間。PEMFC 測試系統(850C)使用的軟件是Fuel CellTM，可以由PC 控制，進行數據記錄。測試系統的電子負載能夠提供不同的負載，便于通過改變負載對電壓建立進行測試，并將暫態電壓數據進行記錄。

首先進行不同階躍電流時調節時間和低調量的變化規律，在電池的加濕、電池溫度、氣體溫度、壓強等各項條件達到穩定，并且測試性能穩定后，進行加載不同的負載階躍值，并記錄此時的電流電壓值。分析其變化趨勢。同時改變電池的加濕、溫度、氣體過量比系數、取電方式、負載類型等條件進行測試分析。

3 結果與討論

3.1 不同負載類型時對電池響應特性影響

圖1為固定電流加載時的瞬態特性，此種負載為純阻性負載，在階躍電流200 mA/cm2時，響應時間比較快，大約為0. 5 s，此時的低調量也很小，只有0.05 V。

圖2為感性負載時瞬態響應特性，此種負載在加載瞬間會有一個電流的峰值出現，同樣的階躍電流相比，低調量和純電阻負載時相差很小，但響應時間增加。對比上圖，會發現響應時間增加到了0.2 s，而低調量的值瞬時大約為0.2 V。因此在連接此種負載時需要特別的控制以保護燃料電池。

圖1 阻性負載加載時的瞬態特性

圖2 感性負載時瞬態響應特性

圖3顯示了在不同負載類型，同樣的階躍電流設置，其實際電流值卻有著不同的特性，純阻性負載其實際值與設置值無合度很高，但是對于電感類的負載，其實際值在瞬時卻有一個峰值，通過下面理論分析，認為 PEMFC動態響應的電壓低調與之相關。

圖3 實際電流密度對比

3.2 不同的取電方式時對電池響應特性影響

當PEMFC用固定電流（constant current，cc）的方式加載時，遵循響應模式，電壓會出現明顯的低調，同時需要一定的調節時間。但是應用固定電壓（constant voltage，cv）模式加載時，會發現電流會有一個平滑的過渡過程，而沒有出現通常出現的低調或者超調過程，但是調節時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計量比、固定電壓下電壓從大到小、固定電壓下電壓從小到大瞬態響應特性圖。實驗發現cv模式在應用上明顯地更具有良好的瞬態響應特性。cv模式下，同樣的階躍電流，燃料電池的響應時間接近 cc模式，但是其電壓的低調為 0。對比試驗同時表明，在固定電壓加載的狀態下，電池可以很“平滑”的達到所需負載值，而對應電流的瞬態響應不會出現低調，同時響應時間也和固定電流加載接近。而固定電流加載時，電池的電壓會出現較大低調值，同時亦需要一定的響應時間。當電池連接各種負載時，需要注意其負載自身特性，以純阻性或者接近阻性為佳，因為感性負載的瞬態響應時間和低調量都會增大，而且容易引起電流的瞬時增大導致氣體供應瞬間不足，而電池此時極易發生反極造成傷害。

圖4 瞬態響應特性圖

3 結束語

通過實驗，本文在不同負載、不同陰極氣體過量比、不同取電模式、不同負載類型、不同階躍電流大小的運行條件下，利用燃料電池測試系統、高精度示波器，對PEMFC 的動態響應特性進行了研究。結果表明：

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

（2）無論加載何種負載，隨著階躍電流增加，其響應時間和低調量都會增加。加載純阻性負載，固定電壓加載時電池低調量為 0，而當固定電流加載時，電池會出現較大低調值。兩者響應時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。

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