PEM燃料電池動態(tài)加載時輸出特性的在線測量

董新平，閆潤瑛

(許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南許昌461000)

質(zhì)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(qū)動電源［1-4］．其反應(yīng)過程不涉及燃燒和熱機做功，能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，能量轉(zhuǎn)換效率能達到60% ～70%，實際使用效率是普通內(nèi)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(shù)的新突破仍將成為21世紀汽車工業(yè)競爭的焦點之一．影響PEMFC性能的主要技術(shù)參數(shù)有工作溫度、工作壓力、動態(tài)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(yīng)，PEMFC在變載情況下的動態(tài)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(nèi)容［5-7］．為了提供燃料電池系統(tǒng)的運行參數(shù)并提供工業(yè)建模所需實驗數(shù)據(jù)，要求實驗數(shù)據(jù)能自動記錄、保存，能進行在線實時顯示并能根據(jù)實時數(shù)據(jù)繪制出輸出功率或電流隨荷載變化的曲線，進行數(shù)據(jù)的離線處理和分析．在一定條件和精度要求下，利用動態(tài)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)可初步實現(xiàn)以上要求［8-10］．如果采用傳統(tǒng)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(xué)實驗用的PEMFC裝置存在電流輸出在峰值附近出現(xiàn)波動的現(xiàn)象，很難對輸出的電流和功率的峰值附近的數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確測量，存在測量數(shù)據(jù)少、無法實時顯示測量結(jié)果以及無法準(zhǔn)確測量PEMFC的動態(tài)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(xué)用燃料電池動態(tài)輸出特性的方法．此方法利用PASCO 750型數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)對PEMFC的動態(tài)輸出特性進行在線測量，能對測量數(shù)據(jù)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(tǒng)實驗不能精確測量電流和功率峰值、無法對實驗數(shù)據(jù)的進行連續(xù)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(guān)的實驗方法．這對于深入研究PEMFC的特性以及培養(yǎng)學(xué)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(jīng)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(nèi)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(yīng)的氧化還原反應(yīng)．圖2簡要說明了PEMFC的結(jié)構(gòu)和工作原理．氫氣在氫燃料電池陽極的催化劑作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的氫離子通過質(zhì)子交換膜到達陰極，同時反應(yīng)產(chǎn)生的電子經(jīng)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(fā)生還原反應(yīng)生成水．隨著氧化還原反應(yīng)的持續(xù)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(yīng)的電極反應(yīng)為陽極:2H2→4H++4e-，陰極:4H++4e-+O2→2H2O，總反應(yīng):2H2+O2→2H2O．

圖1 PEMFC實驗裝置

圖2 PEMFC的結(jié)構(gòu)和工作原理

將PEMFC與滑線變阻器或電阻箱串聯(lián)，利用PASCO 750型數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對PEMFC的電流、電壓和功率動態(tài)加載時的輸出特性進行測量，并采用DataStudio軟件對采集的數(shù)據(jù)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(shù)字式電壓表和數(shù)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(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)替代數(shù)字電壓表和電流表，在連續(xù)改變荷載條件時，可以對PEMFC的動態(tài)輸出電流、電壓和功率進行在線測量．測量數(shù)據(jù)通過PASCO的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)化為數(shù)字信后，利用數(shù)據(jù)采集和分析軟件DataStudio對PEMFC的動態(tài)輸出特性進行在線顯示、分析，并對測量結(jié)果進行離線分析．為了與傳統(tǒng)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(xù)測量方法得到的結(jié)果進行對比．

圖3 測量電路圖

2 實驗方法

對PEMFC動態(tài)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(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相應(yīng)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(zhuǎn)換后的數(shù)字信號與微機連接．用DataStudio軟件創(chuàng)建相應(yīng)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(zhǔn)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(chǎn)生氫氣和氧氣，然后將電解池、PEMFC與貯氫罐連接．待貯氫罐內(nèi)產(chǎn)生15 ml氫氣后，打開燃料電池的出口，為燃料電池反應(yīng)室充入氫氣并對PEM進行濕潤，同時清除殘留氣體，關(guān)閉反應(yīng)室出口．最后待貯氫罐內(nèi)再次充滿15 ml氫氣后關(guān)閉出口，準(zhǔn)備進行相關(guān)測量．每一組新的測量之前均應(yīng)該重復(fù)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(xù)減小以及不同溫度下氫燃料電池的動態(tài)功率輸出特性．

3 實驗數(shù)據(jù)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(jié)果．測量結(jié)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?。诖诉^程中荷載上的瞬時功率持續(xù)增加，當(dāng)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(dāng)阻值繼續(xù)減小時，輸出功率隨之減?。?/p>

采用采用滑線變阻器作為荷載，從200 Ω開始連續(xù)減小荷載電阻，對PEMFC的動態(tài)輸出特性進行在線連續(xù)測量．測量結(jié)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(jié)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(fā)生變化的短暫時間(約0．05～0．1 s)內(nèi)瞬時電流和瞬時功率會存在一定程度的突變．對此現(xiàn)象文獻［6］的研究結(jié)果指出，在動態(tài)加載時，電流較大且電流變化較快時，PEMFC的輸出電壓和內(nèi)阻會發(fā)生一定的波動．陰極由于出現(xiàn)水淹現(xiàn)象導(dǎo)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(wěn)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?？?，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(jié)果明顯不同．采用數(shù)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(jié)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(tài)輸出特性．而采用在線連續(xù)測量的方法不僅可以實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的動態(tài)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(jié)給出精確的描述．這不僅有利于準(zhǔn)確掌握PEMFC的動態(tài)輸出特性，還便于對實驗數(shù)據(jù)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(xù)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(jié)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(jié)語

本文提出了一種動態(tài)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(xù)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(tài)輸出特性進行了在線測量和分析，實現(xiàn)了對測量數(shù)據(jù)的實時觀測和離線分析．與手工測量方法相比，該方法能夠?qū)EMFC的輸出電流和功率峰值附近的輸出特性進行準(zhǔn)確測量，同時還克服了傳統(tǒng)手工測量方法不能進行連續(xù)在線測量、無法實時顯示測量數(shù)據(jù)的缺點．實驗方案將對促進學(xué)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(shù)據(jù)分析方法起到積極的作用．

［1］ 陳全世，仇 斌，謝起成．燃料電池電動汽車［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2005．

［2］ 李忠華．質(zhì)子交換膜燃料電池在電動車輛上的應(yīng)用［J］．上海汽車，2006(9):2-5．

［3］ 黃 倬，屠海令，張冀強，等．質(zhì)子交換膜燃料電池的研究開發(fā)與應(yīng)用［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2000．

［4］ 任學(xué)佑．質(zhì)子交換膜燃料電池的研究進展［J］．中國工程科學(xué)，2005，7(1):86-94．

［5］ 張金輝，裴普成．質(zhì)子交換膜燃料電池歐姆阻抗的試驗研究［J］．清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，47(2):228-231．

［6］ 周 斌，華周發(fā)，劉 震，等．PEMFC動態(tài)加載時的內(nèi)阻特性［J］．電池工業(yè)2009，14(3):180-184．

［7］ 王文東，陳 實，吳 鋒．溫度、壓力和濕度對質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響［J］．能源研究與信息，2003，19(1):39-46．

［8］ 趙 偉，陳偉杰，陳仁安，等．一種基于PASCO和Matlab的干涉條紋計數(shù)方法［J］．實驗室研究與探索，2014，33(7):53-55．

［9］ 歐穎賢，張軍朋．Origin在“研究金屬冷卻規(guī)律”實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用［J］．實驗室研究與探索，2014，33(2):122-125．

［10］ 董新平，閆潤瑛，賀麗娜．基于轉(zhuǎn)動傳感器的黑體輻射實驗［J］．實驗室研究與探索，2012，31(3):32-34．