空冷型PEMFC的溫度控制影響

曹 洪，王 奔，閔 杰，韓 明

(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)

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空冷型PEMFC的溫度控制影響

曹 洪1，2，王 奔1，閔 杰1，2，韓 明2

(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)

對自制空冷型質子交換膜燃料電池(PEMFC)進行變負載條件下有、無溫度控制的工況對比。研究負載驟升過程中燃料電池表面溫度分布情況，以及兩組實驗功率輸出的差異性。溫度控制能在燃料電池負載發生突變時，保持燃料電池表面溫度良好的對稱性和均勻性；無溫度控制的燃料電池，抗負載擾動能力較弱，負載變化時的溫度偏差最高達29.5%，但輸出功率與有溫度控制時僅相差0.6%。溫度控制能維持燃料電池良好的工作環境，但不能明顯提高燃料電池的輸出功率。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)； 空冷型； 溫度分布； 功率輸出

陰極開放式質子交換膜燃料電池(PEMFC)因輔助系統簡單，適合在便攜式移動設備上應用。工作時的水熱平衡是陰極開放式PEMFC研究的熱點。一方面，溫度過低，不僅會影響電化學反應的速率，且會降低飽和蒸汽壓，此時陰極產生的水主要以液態存在，雖然一部分水分子會反擴散，到達陽極并通過間歇式排氣排出，但水量過多，將會積累在流道出口，如果不能及時排出，會引起電池“水淹”，影響性能[1]；另一方面，溫度過高，蒸汽分壓會提高，導致質子交換膜的含水量減少，膜內阻上升，引起電池性能的下降。

在有關燃料電池溫度控制的研究中，不少學者研究了單體電池的溫度控制[2]，或PEMFC電堆工作中單一溫度的控制實驗[3]，但沒有對PEMFC電堆工況進行進一步的實驗和分析。文獻[4]研究提出了一種適合于PEMFC的控制算法，也研究了PEMFC最佳的工作溫度，但對PEMFC負載的設置過于理想，很難看出負載變化對溫度分布的影響。

本文作者采用自制的PEMFC，在常溫常壓條件下，研究了負載變化時采取恒壓風速冷卻系統和變參數比例-積分-微分(PID)溫度控制系統的PEMFC溫度分布、電流和功率變化情況，分析溫度控制對PEMFC工況的影響。

1 實驗系統及方案

1.1 實驗設備

實驗用空冷型PEMFC由16片單體電池組成，陽極為密封結構，陰極為開放式結構。PEMFC電堆的有效截面積為41 mm×28.5 mm，采用高純度氫氣(99%)供氫，氫氣氣壓為6 0 kPa。PEMFC采取陽極間歇式排氣，排氣周期為10 s。

其他實驗設備還包括：PLZ1004W型可編程電子負載(日本產)；可調速的直流型散熱風扇(加拿大產，額定電壓為12 V)；自主研發的燃料電池溫度控制系統；GPC-3060D型直流電源(臺灣省產)；Fluke Ti25紅外熱像儀(美國產)。整個實驗系統如圖1所示。

圖1 實驗系統設備連接結構框圖Fig.1 Structure diagram of experimental system

1.2 實驗測試方案

實驗中，電子負載工作在恒壓模式。為了實現負載的變化，采取負載階躍變化，并用Wavy軟件記錄燃料電池電壓、電流和功率的變化曲線。整個實驗持續40 min，設置負載電壓變化見圖2，即單體電池電壓為0.65 V、0.70 V、0.60 V和0.75 V，每個階段持續10 min。

圖2 設定的負載電壓變化曲線Fig.2 The setted working voltage change curve

實驗方案由兩組構成：

A組實驗不采用溫度控制系統，采取直流供電。為了確保燃料電池在較高負載工作時，不會因為溫度過高導致燃料電池發生永久性的損壞，實驗風扇的供電電壓設定為8.6 V。該電壓可以保證燃料電池能在最高負載下安全運行。

B組實驗采用變參數PID控制算法，并根據燃料電池的電流與溫度關系，采用脈寬調制(PWM)控制技術，調節風扇產生的風量，使燃料電池工作在一個安全、高效的溫度范圍內[5]，確保PEMFC在低功率輸出情況下的溫度不會驟降，在高功率輸出時的溫度不會驟升。

2 結果與討論

2.1 溫度分布

對于陰極開放式的燃料電池而言，表面溫度分布反應了電池內部的電化學反應程度、電流密度、產熱量與散熱量的平衡情況等。

影響PEMFC溫度變化的因素主要有兩個：負載變化；陰極風扇的空冷效果。實驗采用變負載運行燃料電池，并實時監測電池溫度的變化。

燃料電池的溫度與風扇電壓變化曲線見圖3。

1 A組無溫度控制 2 B組有溫度控制圖3 兩組實驗的溫度與風扇電壓變化曲線

從圖3可知，具有溫度控制的系統(B組)能根據負載的變化實時改變風扇電壓，使燃料電池工作在一個較合適的溫度范圍。從系統響應的快速性上來看，當負載發生階躍變化時，無溫度控制系統(A組)的調節時間更長。這對燃料電池輸出的穩定性及燃料電池本身的壽命不利。

以負載變化將溫度分為4個階段，并按階段取平均值，分析情況如表1所示。

表1 兩組實驗各階段平均溫度

從表1可知，兩組實驗中，負載電壓越低，電池的溫度越高。這是因為負載電壓越低，電流密度越大，電池內部的電化學反應越劇烈，發熱量就越大。從溫度穩定性的角度來分析，無溫度控制系統的A組實驗中，相鄰兩個負載階段的溫度變化幅度最高達29.5%；而具有溫度控制系統的B組實驗，溫度變化幅度最高僅有9.2%。

為了研究溫度控制對水熱平衡的影響，取燃料電池負載電壓由低到高的過程，因為在這一過程中，產熱和產水都急劇增加，燃料電池原有的平衡狀態會被打破。如果風扇系統控制不當，導致溫度過高，則損壞燃料電池；溫度過低，則容易造成燃料電池“水淹”。

圖4為實驗進行到第1 210 s時記錄的燃料電池表面溫度分布3D圖。

圖4 兩組實驗進行到第1 210 s時的溫度分布3D圖

從圖4可知，A組實驗的中間高溫部分更加突出。兩組實驗燃料電池溫度分布均為中間高、兩邊低。呈現這種溫度分布的原因，文獻[6]認為與實驗選取風扇“吹”的散熱模式有關。“吹”模式的空氣流場，會導致中間流速略低于邊緣流速，燃料電池兩側固定的金屬外殼，也有助于邊緣散熱。

為了更精確地了解兩組實驗溫度分布情況，取兩組3D圖中等水平距離上的單體電池溫度繪制溫度分布曲線，如圖5所示。

圖5 電堆表面溫度分布圖Fig.5 Surface temperature distribution of fuel cell stack

從圖5可知，B組有溫度控制實驗在燃料電池負載發生變化時，溫度的對稱性好于A組無溫度控制實驗。A組溫度分布右側(氫氣進出口)低于左側。兩組實驗在相同時間點上發生溫度分布對稱差異的原因主要是：在相同負載變化下，B組實驗的溫度在前一階段已比A組實驗高出14.7%，因此進入高負載運行時，升溫速度更快，溫度的提高有助于在高負載下陰極水蒸氣的排出，燃料電池能很快進入新的水熱平衡狀態；相反，無溫度控制的A組實驗，前一階段溫度較低，當進入高負載運行時，水的生成量增加，而溫度提升較慢。在這一時間點上，陰極水蒸氣的排出效果必然不如B組實驗，因此某些單體電池的性能下降，進而影響電池表面溫度的均勻性和對稱性。由于實驗的水排氣周期較短(10 s)，避免了燃料電池長時間“水淹”的可能，一段時間后，便達到一個新的水熱平衡點。這也是圖3中A組實驗燃料電池溫度到達穩定所需時間比B組實驗長的原因。

2.2 功率輸出

輸出功率的大小是衡量PEMFC工況是否良好的重要標志。燃料電池輸出功率，除了受到電池本身(如膜內阻)的影響外，還受電池水熱平衡的影響。

兩組實驗下功率、電流隨時間變化的曲線見圖6。

1 A組無溫度控制 2 B組有溫度控制圖6 功率、電流變化曲線Fig.6 Power output and current curves

從圖6可知，在高電壓負載下，功率、電流都相對較低；在低電壓負載下，功率、電流都相對較高。A、B兩組實驗的工作電流、輸出功率在不同負載階段基本相同，但當負載電壓發生變化時，具有溫度控制系統的B組實驗能較快地進入另一個平衡狀態，A組實驗燃料電池所需時間則較長。

將圖6功率、電流按照負載電壓的變化分為4個階段，分別計算平均功率和平均電流，結果見表2。

表2 各階段的平均功率與平均電流

從表2可知，各階段的功率、電流相差不大。平均功率偏差最大階段(12.0 V)僅有1.2%；平均電流偏差最大階段(11.2 V)僅有2.0%。有無溫度控制系統的燃料電池，輸出功率變化不大，但有溫度控制時，輸出功率穩定性更好。

實驗中，兩組實驗燃料電池輸出功率變化不大的原因，還與實驗中風扇電壓的選擇及排水周期的選擇有關。A組實驗選取的風扇電壓足夠大，確保了燃料電池能安全運行；排水周期選擇10 s，確保了燃料電池即使在無溫度控制情況下，負載驟然升高，水熱平衡被打破時，也不會發生嚴重的“水淹”現象。良好排水周期的選擇，可輔助燃料電池達到一個新的水熱平衡點。

3 結論

本文作者基于實驗室自制的空冷型PEMFC，進行了變負載情況下，風扇恒壓供電實驗和溫度反饋的變參數PID控制實驗，分析了燃料電池負載發生突變時溫度分布情況和兩組實驗的功率輸出情況，得到以下結論：

有溫度反饋控制的PEMFC，能在負載發生變化時，避免燃料電池溫度發生驟降或驟升。風扇恒壓控制的PEMFC，溫度進入穩定狀態花費時間較長，且負載發生階躍變化時，燃料電池溫度均勻性和對稱性都較差。溫度控制可以保證燃料電池的工作環境相對良好，有利于延長燃料電池的使用壽命。

無論是有溫度反饋控制還是風扇恒壓控制的PEMFC，電池輸出功率與電流都基本一致。由此可以推測：在復雜變負載的工作條件下，溫度控制系統可以提高燃料電池的抗負載變化能力，保證燃料電池工況良好。在負載非頻繁變化時或負載變化量不大的條件下，從節約成本角度考慮，只需選擇合適的排水周期及足夠量的風速，就可保證燃料電池的穩定運行。

[1] CHEN Dong-hao(陳東浩)，BU Qing-yuan(卜慶元)，CHEN Wei-rong(陳維榮)，etal.空冷型PEMFC陽極排氣周期實驗研究[J].Battery Bimonthly(電池)，2015，45(1)：3-5.

[2] Riascos L A M，Pereira D D.Limit operating temperature in polymer electrolyte membrane fuel cells[J].J Electrochem Soc，2009，156(9)：B1 051-B1 058.

[3] Wei-dong(衛東)，etal.空冷型PEMFC電堆溫度特性及模糊PID融合控制[J].Dianyuan Jishu(電源技術)，2010，34(4)：342-345.

[4] ZHAO Si-chen(趙思臣)，WANG Ben(王奔)，XIE Yu-hong(謝玉洪)，etal.無外增濕質子交換膜燃料電池線性溫度掃描實驗[J].Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engi-neering(中國電機工程學報)，2014，34(26)：4 528-4 533.

[5] CHEN Xue-jiao(陳雪嬌),QI Zhi-dong(戚志東),LI Lie(李蕾).空冷型PEMFC電堆溫度建模及改進GPC控制[J].Dianyuan Jishu(電源技術),2012,36(10):1 463-1 466.

[6] ZHU Xing-guag(朱星光)，JIA Qiu-hong(賈秋紅)，CHEN Tang-long(陳唐龍)，etal.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.

Influence of temperature control on the air-cooling proton exchange fuel cell

CAO Hong1，2，WANG Ben1，MIN Jie1，2，HAN Ming2

( 1.SchoolofElectricalEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu，Sichuan610031，China；2.CleanEnergyResearchCenter，TemasekPolytechnic，Singapore529757，Singapore)

The working condition comparison of power output changing condition with and without temperature control was made to laboratory-made air-cooling proton exchange membrane fuel cell(PEMFC).The research was focused on the surface temperature distribution of the fuel cell stack when sudden load change occurred as well as the relative difference in power out between the two aforementioned conditions.Temperature control could keep well uniform and symmetrical of the surface temperature distribution of the fuel cell when sudden load change occurred to the fuel cell，fuel cell without temperature control showed greater deviation in performance as load changed.Upon the various load，temperature of fuel cell stack which was not placed temperature control mechanism could differed by as high as 29% even though power output differed by only 0.6% in the two kinds of experiments.The temperature control could keep fine working condition of fuel cell，but could not increase the power output of fuel cell obviously.

proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)； air-cooling； temperature distribution； power output

曹 洪(1990-)，男，四川人，西南交通大學電氣工程學院碩士生，研究方向：液流電池儲能系統、燃料電池電氣控制系統、新能源應用，本文聯系人；

TM911.42

A

1001-1579(2015)05-0244-04

2015-06-15

王 奔(1960-)，男，湖南人，西南交通大學電氣工程學院教授，研究方向：電力系統控制、新能源應用；

閔 杰(1988-)，男，江蘇人，西南交通大學電氣工程學院碩士生，研究方向：熱光伏發電、新能源應用；

韓 明(1960-)，男，新加坡，淡馬錫理工學院清潔能源中心研究員，研究方向：燃料電池、液流電池。