質(zhì)子交換膜燃料電池的溫度控制實(shí)驗(yàn)

謝玉洪，黃彥全，趙思臣

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

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一個(gè)多耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，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(guān)PEMFC溫度控制的研究大多針對(duì)電堆進(jìn)行［3－4］，針對(duì)單體電池的研究較少。文獻(xiàn)［5］基于灰色系統(tǒng)風(fēng)冷型溫度控制系統(tǒng)，建立了燃料電池尾氣出口溫度的數(shù)學(xué)模型，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較差，若尾氣溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速變化，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇功率調(diào)節(jié)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(fù)雜數(shù)學(xué)模型的限制，但復(fù)合控制中采用迭代學(xué)習(xí)算法產(chǎn)生了巨大的計(jì)算量，對(duì)處理器的要求極高，一般需要數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)才能完成。

對(duì)燃料電池測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的一些問(wèn)題，尤其是在繪制I-U曲線時(shí)，科學(xué)地設(shè)置采樣點(diǎn)及采樣頻率從而確保所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，開(kāi)展的研究甚少。

基于已有的燃料電池相關(guān)研究成果，本文作者提出了使用加熱制冷設(shè)備——半導(dǎo)體制冷片的控制方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以期為PEMFC測(cè)試實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)和保障。

1 原理分析

PEMFC通過(guò)化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電化學(xué)總反應(yīng)式即氫、氧反應(yīng)生成水，同時(shí)釋放出熱量。電池內(nèi)部極化也會(huì)產(chǎn)生大量的熱，包括以下3部分:活化損耗、歐姆損耗和傳質(zhì)損耗［7］。

化學(xué)反應(yīng)放熱和極化損耗產(chǎn)熱構(gòu)成了PEMFC的發(fā)熱功率Pheat，可表示為:

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

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

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

溫度傳感器為PT1000鉑電阻(Labfacility公司)，測(cè)量范圍為－50～500℃，精度為0.5℃，處理器為PIC18F4520單片機(jī)(Microchip公司)。對(duì)溫度信號(hào)后采樣，用模糊運(yùn)算控制TEC1-12703半導(dǎo)體制冷片(深圳產(chǎn)，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(shí)現(xiàn)電流反向，進(jìn)行雙向控溫。用1602液晶屏(長(zhǎng)沙產(chǎn))顯示當(dāng)前溫度，由串口通信將數(shù)據(jù)傳至PC上位機(jī)，采用MAX232ACSE+電平轉(zhuǎn)換芯片(Maxim公司)。

溫度控制執(zhí)行模塊由半導(dǎo)體制冷片、散熱片和軸流風(fēng)扇構(gòu)成。軸流風(fēng)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(dǎo)熱性良好的銅質(zhì)鍍金極板。使用GPC-3060D直流穩(wěn)壓電源(蘇州產(chǎn))為控制電路、半導(dǎo)體制冷片和風(fēng)扇供電，單路電源的最大輸出電流為6 A，可對(duì)半導(dǎo)體制冷片和風(fēng)扇工作電壓進(jìn)行外部調(diào)節(jié)。

2.2 電池工作狀態(tài)的確定

自制自增濕陰極開(kāi)放式PEMFC的參數(shù)如下:長(zhǎng)、寬、高分別為78 mm、68 mm、36 mm;陰極流場(chǎng)為直流道流場(chǎng)，陽(yáng)極流場(chǎng)為多孔體流場(chǎng)(孔隙率為70%);陰、陽(yáng)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(shí)工作的I-U曲線測(cè)試條件為:陽(yáng)極氫氣(純度為99.9%)由高壓儲(chǔ)氣罐經(jīng)減壓閥供給進(jìn)氣，設(shè)定壓力為0.4 bar;出口端定時(shí)排水，排氣周期為10 s，每次持續(xù)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(chǎng)形成微弱負(fù)壓(模擬了陰極開(kāi)放式燃料電池堆的運(yùn)行方式)。電池所處外部環(huán)境溫度為25℃。

2.3 測(cè)試方案

實(shí)驗(yàn)以溫度控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性為研究重點(diǎn)，采用控制變量法，主要考察半導(dǎo)體制冷片的工作電壓和燃料電池輸出電壓(實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)為電熱片功率)對(duì)溫度控制超調(diào)量和振蕩周期的影響。測(cè)試方案如下:

在室溫26℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)溫度為60℃，根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，將風(fēng)扇工作電壓設(shè)定為10 V。在半導(dǎo)體制冷片工作電壓為12 V、9 V和6 V等3種條件下，測(cè)試不同加熱功率時(shí)的控制效果。電熱片的加熱功率，按燃料電池輸出電壓由開(kāi)路狀態(tài)(Ucell=0.95 V)漸變至極限擴(kuò)散電流狀態(tài)時(shí)的變化規(guī)律來(lái)調(diào)節(jié)，模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試I-U曲線時(shí)的流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中燃料電池輸出電壓階躍變化梯度為0.05 V(實(shí)際測(cè)試中，該值約為0.01 V)，最后將測(cè)試數(shù)據(jù)上傳至PC上位機(jī)保存。

3 結(jié)果與討論

3.1 電池工作狀態(tài)的確定

電池在60℃時(shí)工作的I-U曲線見(jiàn)圖1。

圖1 PEMFC在60℃時(shí)工作的I-U曲線Fig.1 I-U curve of PEMFC working at 60℃

由于缺少準(zhǔn)確的控溫設(shè)備，所得數(shù)據(jù)有一定的誤差，但對(duì)實(shí)際控制的影響較小。根據(jù)式(1)可計(jì)算出PEMFC工作在60℃時(shí)，不同工作點(diǎn)的發(fā)熱功率(見(jiàn)表1)。

表1 PEMFC工作在60℃時(shí)不同工作點(diǎn)的發(fā)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(chǎn)熱，可使實(shí)驗(yàn)更快捷方便，功率設(shè)定對(duì)照表1。在上述3種電壓條件下，各選擇了4種狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，分別記為狀態(tài)1(燃料電池開(kāi)路狀態(tài))、狀態(tài)2(負(fù)載電壓由0.75 V突變至0.70 V)、狀態(tài)3(負(fù)載電壓由0.55 V突變至0.50 V)、狀態(tài)4(負(fù)載電壓由0.25 V突變至0.20 V)，其中負(fù)載電壓階躍變化發(fā)生在第60 s的時(shí)刻。

3.2 使用半導(dǎo)體制冷片測(cè)得的電池性能

燃料電池在不同工作電壓時(shí)的溫度變化曲線見(jiàn)圖2－4。

圖2 燃料電池在工作電壓為12 V時(shí)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(fù)載電壓發(fā)生階躍變化后，對(duì)溫度的影響不明顯，溫度超調(diào)量較大并持續(xù)大幅震蕩，震蕩區(qū)間長(zhǎng)度為2.5℃，平均溫度與目標(biāo)溫度之間的偏移量較大。在電池開(kāi)路狀態(tài)下，燃料電池平均溫度低于目標(biāo)溫度，隨著負(fù)載電壓減小，震蕩區(qū)間上移，燃料電池平均溫度會(huì)高于目標(biāo)溫度。在12 V電壓下半導(dǎo)體制冷片的溫度調(diào)節(jié)速度太快導(dǎo)致溫度超調(diào)和系統(tǒng)震蕩。由此可見(jiàn)，目標(biāo)溫度為60℃時(shí)，半導(dǎo)體制冷片電壓設(shè)置為12 V是不可取的。

圖3 燃料電池在工作電壓為9 V時(shí)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(dǎo)體制冷片的溫度調(diào)節(jié)能力比較“柔和”，溫度控制的變化體現(xiàn)在震蕩區(qū)間長(zhǎng)度和平均溫度的偏移量都減小了，此時(shí)，溫度基本上在目標(biāo)溫度±1℃以內(nèi)震蕩。根據(jù)以上分析可知，當(dāng)目標(biāo)溫度為60℃時(shí)，半導(dǎo)體制冷片采用9 V電壓進(jìn)行溫度控制，效果較好。

圖4 燃料電池在工作電壓為6 V時(shí)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(tài)1下，當(dāng)燃料電池處于開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，控制器無(wú)法將溫度拉升到60℃，即該條件下半導(dǎo)體制冷片的溫度調(diào)節(jié)能力不足;在狀態(tài)2下，燃料電池自身有一定的發(fā)熱量，此時(shí)溫度勉強(qiáng)能維持在目標(biāo)溫度;在狀態(tài)3下，當(dāng)負(fù)載電壓降低至0.5 V時(shí)，燃料電池的溫度能較長(zhǎng)時(shí)間維持在60℃;在狀態(tài)4下，燃料電池自身發(fā)熱量較高，溫度在59.5～60.0℃震蕩，此時(shí)的溫度控制效果較為理想。

綜合以上分析，當(dāng)目標(biāo)溫度為60℃時(shí)，半導(dǎo)體制冷片工作電壓應(yīng)設(shè)置在6～9 V為宜，避免溫度偏移量太大。持續(xù)溫度震蕩，會(huì)對(duì)燃料電池測(cè)試造成一定影響，但可通過(guò)連續(xù)采樣求平均值的方法提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度。實(shí)驗(yàn)中各種條件下的振蕩周期約為50 s，建議在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中將采樣間隔設(shè)置為2 s，1個(gè)周期內(nèi)可采集25個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，連續(xù)采樣2個(gè)周期后，通過(guò)求平均值可得到較為精確的結(jié)果。

4 結(jié)論

將具有快速控溫和雙向控溫性的半導(dǎo)體制冷片用于燃料電池單體電池溫度控制系統(tǒng)中，使測(cè)試過(guò)程能較穩(wěn)定地控制溫度，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

該溫度控制方案是有效可行的。半導(dǎo)體制冷片工作電壓和燃料電池輸出電壓對(duì)于溫度控制影響較大，因此可以結(jié)合脈寬調(diào)制技術(shù)和電壓控制法進(jìn)行控制，達(dá)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(gè)輸入量，使模糊規(guī)則更為合理。提高溫度測(cè)量精度，有助于提高控制精度，從而改善溫度控制效果。

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