質子交換膜燃料電池的溫度控制實驗

謝玉洪，黃彥全，趙思臣

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川成都 610031;2.淡馬錫理工學院清潔能源研究中心，新加坡 529757，新加坡)

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一個多耦合的復雜系統，輸出性能受眾多外部條件的影響，溫度是其中之一［1－2］。目前，有關PEMFC溫度控制的研究大多針對電堆進行［3－4］，針對單體電池的研究較少。文獻［5］基于灰色系統風冷型溫度控制系統，建立了燃料電池尾氣出口溫度的數學模型，但動態響應特性較差，若尾氣溫度在短時間內迅速變化，會導致風扇功率調節滯后。田玉東等［6］采用多變量模糊推理和模糊邏輯控制的溫度控制方案，擺脫了復雜數學模型的限制，但復合控制中采用迭代學習算法產生了巨大的計算量，對處理器的要求極高，一般需要數字信號處理器(DSP)才能完成。

對燃料電池測試實驗過程中存在的一些問題，尤其是在繪制I-U曲線時，科學地設置采樣點及采樣頻率從而確保所得實驗數據準確可靠，開展的研究甚少。

基于已有的燃料電池相關研究成果，本文作者提出了使用加熱制冷設備——半導體制冷片的控制方案，并進行實驗驗證，以期為PEMFC測試實驗提供指導和保障。

1 原理分析

PEMFC通過化學反應直接將化學能轉化為電能，電化學總反應式即氫、氧反應生成水，同時釋放出熱量。電池內部極化也會產生大量的熱，包括以下3部分:活化損耗、歐姆損耗和傳質損耗［7］。

化學反應放熱和極化損耗產熱構成了PEMFC的發熱功率Pheat，可表示為:

式(1)中:I是電流，Uth是熱力學理論電壓，取高熱值(HHV)1.48 V(化學反應生成液態水)，Ucell是輸出電壓。

2 實驗

2.1 實驗設備

用電熱片(Raychem公司，額定功率約為1 W/cm2)模擬燃料電池產熱。用溫度控制器進行溫度采集(采樣周期為0.5 s)、控制和顯示，并進行數據上傳，各元件的參數如下:

溫度傳感器為PT1000鉑電阻(Labfacility公司)，測量范圍為－50～500℃，精度為0.5℃，處理器為PIC18F4520單片機(Microchip公司)。對溫度信號后采樣，用模糊運算控制TEC1-12703半導體制冷片(深圳產，40 mm×40 mm×3.

9 mm，額定電壓12 V、額定電流3 A、最大制冷功率18 W)的功率，利用H橋電路實現電流反向，進行雙向控溫。用1602液晶屏(長沙產)顯示當前溫度，由串口通信將數據傳至PC上位機，采用MAX232ACSE+電平轉換芯片(Maxim公司)。

溫度控制執行模塊由半導體制冷片、散熱片和軸流風扇構成。軸流風扇的尺寸為40 mm×40 mm×28 mm，額定電壓12 V、額定電流0.6 A。燃料電池選用導熱性良好的銅質鍍金極板。使用GPC-3060D直流穩壓電源(蘇州產)為控制電路、半導體制冷片和風扇供電，單路電源的最大輸出電流為6 A，可對半導體制冷片和風扇工作電壓進行外部調節。

2.2 電池工作狀態的確定

自制自增濕陰極開放式PEMFC的參數如下:長、寬、高分別為78 mm、68 mm、36 mm;陰極流場為直流道流場，陽極流場為多孔體流場(孔隙率為70%);陰、陽極流道的有效體積分別為2.74 cm3和0.44 cm3，單體電池的有效工作面積為14.88 cm2。電池在60℃時工作的I-U曲線測試條件為:陽極氫氣(純度為99.9%)由高壓儲氣罐經減壓閥供給進氣，設定壓力為0.4 bar;出口端定時排水，排氣周期為10 s，每次持續0.2 s。陰極氧氣由微型低壓空氣泵不斷吸入空氣供給，使陰極流場形成微弱負壓(模擬了陰極開放式燃料電池堆的運行方式)。電池所處外部環境溫度為25℃。

2.3 測試方案

實驗以溫度控制器的動態響應特性和穩定性為研究重點，采用控制變量法，主要考察半導體制冷片的工作電壓和燃料電池輸出電壓(實驗中體現為電熱片功率)對溫度控制超調量和振蕩周期的影響。測試方案如下:

在室溫26℃下進行實驗，目標溫度為60℃，根據實驗經驗，將風扇工作電壓設定為10 V。在半導體制冷片工作電壓為12 V、9 V和6 V等3種條件下，測試不同加熱功率時的控制效果。電熱片的加熱功率，按燃料電池輸出電壓由開路狀態(Ucell=0.95 V)漸變至極限擴散電流狀態時的變化規律來調節，模擬實驗測試I-U曲線時的流程進行實驗，其中燃料電池輸出電壓階躍變化梯度為0.05 V(實際測試中，該值約為0.01 V)，最后將測試數據上傳至PC上位機保存。

3 結果與討論

3.1 電池工作狀態的確定

電池在60℃時工作的I-U曲線見圖1。

圖1 PEMFC在60℃時工作的I-U曲線Fig.1 I-U curve of PEMFC working at 60℃

由于缺少準確的控溫設備，所得數據有一定的誤差，但對實際控制的影響較小。根據式(1)可計算出PEMFC工作在60℃時，不同工作點的發熱功率(見表1)。

表1 PEMFC工作在60℃時不同工作點的發熱功率Table 1 Heat power of PEMFC when working at 60℃under different condition

采用電熱片模擬PEMFC產熱，可使實驗更快捷方便，功率設定對照表1。在上述3種電壓條件下，各選擇了4種狀態下的數據，分別記為狀態1(燃料電池開路狀態)、狀態2(負載電壓由0.75 V突變至0.70 V)、狀態3(負載電壓由0.55 V突變至0.50 V)、狀態4(負載電壓由0.25 V突變至0.20 V)，其中負載電壓階躍變化發生在第60 s的時刻。

3.2 使用半導體制冷片測得的電池性能

燃料電池在不同工作電壓時的溫度變化曲線見圖2－4。

圖2 燃料電池在工作電壓為12 V時的溫度變化曲線Fig.2 Temperature changing curves of fuel cell at the working voltage of 12 V

從圖2可知，在該條件下，燃料電池負載電壓發生階躍變化后，對溫度的影響不明顯，溫度超調量較大并持續大幅震蕩，震蕩區間長度為2.5℃，平均溫度與目標溫度之間的偏移量較大。在電池開路狀態下，燃料電池平均溫度低于目標溫度，隨著負載電壓減小，震蕩區間上移，燃料電池平均溫度會高于目標溫度。在12 V電壓下半導體制冷片的溫度調節速度太快導致溫度超調和系統震蕩。由此可見，目標溫度為60℃時，半導體制冷片電壓設置為12 V是不可取的。

圖3 燃料電池在工作電壓為9 V時的溫度變化曲線Fig.3 Temperature changing curves of fuel cell at the working voltage of 9 V

從圖3可知，相比于12 V條件下，半導體制冷片的溫度調節能力比較“柔和”，溫度控制的變化體現在震蕩區間長度和平均溫度的偏移量都減小了，此時，溫度基本上在目標溫度±1℃以內震蕩。根據以上分析可知，當目標溫度為60℃時，半導體制冷片采用9 V電壓進行溫度控制，效果較好。

圖4 燃料電池在工作電壓為6 V時的溫度變化曲線Fig.4 Temperature changing curves of fuel cell at the working voltage of 6 V

從圖4可知，在狀態1下，當燃料電池處于開路狀態時，控制器無法將溫度拉升到60℃，即該條件下半導體制冷片的溫度調節能力不足;在狀態2下，燃料電池自身有一定的發熱量，此時溫度勉強能維持在目標溫度;在狀態3下，當負載電壓降低至0.5 V時，燃料電池的溫度能較長時間維持在60℃;在狀態4下，燃料電池自身發熱量較高，溫度在59.5～60.0℃震蕩，此時的溫度控制效果較為理想。

綜合以上分析，當目標溫度為60℃時，半導體制冷片工作電壓應設置在6～9 V為宜，避免溫度偏移量太大。持續溫度震蕩，會對燃料電池測試造成一定影響，但可通過連續采樣求平均值的方法提高實驗結果的精度。實驗中各種條件下的振蕩周期約為50 s，建議在測試實驗中將采樣間隔設置為2 s，1個周期內可采集25個數據點，連續采樣2個周期后，通過求平均值可得到較為精確的結果。

4 結論

將具有快速控溫和雙向控溫性的半導體制冷片用于燃料電池單體電池溫度控制系統中，使測試過程能較穩定地控制溫度，提高了實驗結果的準確性和可靠性。

該溫度控制方案是有效可行的。半導體制冷片工作電壓和燃料電池輸出電壓對于溫度控制影響較大，因此可以結合脈寬調制技術和電壓控制法進行控制，達到滑模效果，并且將燃料電池輸出電壓作為模糊控制器的一個輸入量，使模糊規則更為合理。提高溫度測量精度，有助于提高控制精度，從而改善溫度控制效果。

［1］TIAN Yu-dong(田玉東)，ZHU Xin-jian(朱新堅)，CAO Guang-yi(曹廣益).質子交換膜燃料電池的溫度實驗分析［J］.Battery Bimonthly(電池)，2005，35(3):221 －222.

［2］ZHU Xing-guang(朱星光).質子交換膜燃料電池陰極風扇系統實驗研究［J］.Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering(中國電機工程學報)，2013，33(11):47 －53.

［3］Ana M L，Jorge B，Vicente R，et al.Design and development of the cooling system of a 2 kW nominal power open-cathode polymer electrolyte fuel cell stack［J］.Int J Hydrogen Energy，2012，37(8):7 289－7 298.

［4］CHU Lei-min(褚磊民)，WEI Dong(衛東)，LU Yong-jun(陸勇軍)，et al.空冷型質子交換膜燃料電池電堆溫度控制系統設計［J］.Industrial Control Computer(工業控制計算機)，2009，22(10):18－20.

［5］LIU Jing(劉晶)，SHEN Wei-dong(沈為東)，RUAN Yu(阮喻)，et al.基于灰色系統的質子交換膜燃料電池溫度控制［J］.Dianyuan Jishu(電源技術)，2006，30(12):997 －999.

［6］TIAN Yu-dong(田玉東)，ZHU Xin-jian(朱新堅)，CAO Guang-yi(曹廣益).質子交換膜燃料電池移動電源溫度模糊控制［J］.Dianyuan Jishu(電源技術)，2005，29(3):157 －159.

［7］YI Bao-lian(衣寶廉).燃料電池——原理·技術·應用［M］.Beijing(北京):Chemical Industry Press(化學工業出版社)，2003.5－25.