面向調(diào)頻應(yīng)用的扁管式可逆固體氧化物電堆控制特性分析

高丹慧，李汶穎*，胡強(qiáng),，吳劍，李航，張琪，謝勛

（1．清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，四川省 成都市 610200；2．浙江臻泰能源科技有限公司，浙江省 麗水市 323000）

0 引言

隨著用戶負(fù)荷需求的多樣化以及高度隨機(jī)性和間歇性可再生能源電力的大規(guī)模并網(wǎng)，電力系統(tǒng)的平衡調(diào)節(jié)壓力日益凸顯?，F(xiàn)有電力系統(tǒng)的調(diào)頻手段主要依賴同步電機(jī)，機(jī)組存在響應(yīng)延時(shí)長(zhǎng)、爬坡速度慢、穩(wěn)定精度低等問題，難以滿足當(dāng)前電力系統(tǒng)的調(diào)頻需求[1-2]。近年來，在政策激勵(lì)、市場(chǎng)規(guī)則和靈活價(jià)格機(jī)制的引導(dǎo)下，大規(guī)模儲(chǔ)能電源逐步開始參與電網(wǎng)調(diào)頻，如抽水蓄能、儲(chǔ)能電池等。良好的快速響應(yīng)、精確跟蹤等特點(diǎn)，使其比傳統(tǒng)調(diào)頻手段更加精準(zhǔn)、高效[3-4]。然而，抽水蓄能對(duì)地理環(huán)境的依賴性，以及新型儲(chǔ)能電池的動(dòng)態(tài)時(shí)效性（循環(huán)次數(shù)）嚴(yán)重制約著其在調(diào)頻場(chǎng)景中的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

氫儲(chǔ)能是一種實(shí)現(xiàn)電、氫/氫基燃料之間靈活高效轉(zhuǎn)換的電化學(xué)技術(shù)，相較于其他儲(chǔ)能技術(shù)，其長(zhǎng)周期儲(chǔ)能特性（時(shí)間靈活性）以及儲(chǔ)能介質(zhì)的多領(lǐng)域應(yīng)用（空間靈活性）可為電網(wǎng)調(diào)頻提供新思路。電解池是氫儲(chǔ)能的核心器件，目前主要包含3種技術(shù)路線：堿性電解池（alkaline electrolysis cell，AEC）、質(zhì)子交換膜電解池（proton exchange membrane electrolysis cell，PEMEC）以及高溫固體氧化物電池（reversible solid oxide cell，RSOC）[5]。其中，RSOC是目前唯一一種同裝置可逆運(yùn)行技術(shù)，既可作為“負(fù)荷”電制氫（solid oxide electrolysis cell，SOEC 模式），也可作為“電源”氫發(fā)電（solid oxide fuel cell，SOFC 模式），極大提升了設(shè)備在調(diào)頻場(chǎng)景下的靈活性。同時(shí)，該種靈活特性，使得RSOC在參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的同時(shí)，具備參與容量市場(chǎng)、電量市場(chǎng)的潛力，可通過提供可信容量、尖峰發(fā)電、低谷制氫等方式獲取額外收益。此外，RSOC是目前效率最高的燃料電池技術(shù)，發(fā)電、電解效率可分別達(dá)60%、90%，且制備材料均為廉價(jià)的陶瓷材料，因而具備在電力調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)規(guī)?；茝V的條件[6]。

為了衡量不同市場(chǎng)主體提供調(diào)頻服務(wù)的效果差異，各省能源監(jiān)管局借鑒國外典型電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，在出清和結(jié)算機(jī)制中引入了調(diào)頻性能指標(biāo)，包括調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)時(shí)間、調(diào)頻容量、調(diào)頻里程等[7]。這些性能指標(biāo)量化評(píng)價(jià)了調(diào)節(jié)主體在調(diào)頻過程中的可調(diào)性、參與度、動(dòng)態(tài)特性以及控制精準(zhǔn)程度，主要受到機(jī)組控制策略、自身固有特性及實(shí)際運(yùn)行條件等因素的影響[8]。對(duì)于RSOC而言，只有具備良好的電化學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能以及功率輸出的長(zhǎng)期可靠性，才能夠在調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)獲取更高的收益。

針對(duì)RSOC的電化學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題，已有眾多學(xué)者基于單電池層級(jí)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了電壓、電流過沖現(xiàn)象的產(chǎn)生原因[9-12]，不同結(jié)構(gòu)對(duì)電池瞬態(tài)特性的影響[13-14]以及電池模式切換對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響[15-16]等。以上研究表明了單電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力主要受到電化學(xué)反應(yīng)、傳質(zhì)以及傳熱過程的耦合影響，其中電化學(xué)反應(yīng)以及氣體傳質(zhì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間在0.1～1 s，驗(yàn)證了單電池調(diào)頻應(yīng)用的基礎(chǔ)可行性；熱動(dòng)態(tài)的高時(shí)滯（10 s級(jí)別）則使溫度成為RSOC調(diào)頻應(yīng)用中的重要約束參數(shù)。然而，單電池集成為電堆后，多電池、多流道、多空間等特性的介入，將會(huì)使電池、電堆之間的電化學(xué)、傳質(zhì)的特性出現(xiàn)顯著差異，對(duì)應(yīng)單電池的研究無法為真實(shí)電堆在調(diào)頻場(chǎng)景下的控制應(yīng)用提供有效支撐，需針對(duì)電堆層級(jí)進(jìn)一步測(cè)試驗(yàn)證其調(diào)頻應(yīng)用的可行性。同時(shí)，電堆以及周邊環(huán)境（熱箱）熱容的增加，將進(jìn)一步擴(kuò)大單電池與電堆之間熱動(dòng)態(tài)管控的差異，需要研究人員進(jìn)一步開展溫度閉環(huán)下的動(dòng)態(tài)分析研究。

靈活性基礎(chǔ)上，長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性、長(zhǎng)壽命是RSOC輔助電力調(diào)頻商業(yè)化不可忽略的影響因素，與電堆的材料及運(yùn)行控制緊密相關(guān)。高溫長(zhǎng)期運(yùn)行環(huán)境下的材料組成和結(jié)構(gòu)變化、反應(yīng)氣體和密封雜質(zhì)[17-18]以及控制過程所導(dǎo)致的溫度梯度過高、負(fù)荷循環(huán)沖擊等因素[19-21]，均會(huì)影響電池的衰減性能。研究人員通過量化運(yùn)行參數(shù)與性能衰減的規(guī)律，評(píng)估電堆長(zhǎng)期性能，進(jìn)一步設(shè)計(jì)合理的負(fù)荷、溫度等參量的調(diào)控策略，以適當(dāng)減緩性能衰減，延長(zhǎng)電池壽命。然而，電池性能衰減的機(jī)理十分復(fù)雜，與電池材料、制備工藝和環(huán)境高度相關(guān)，目前相關(guān)研究預(yù)測(cè)結(jié)果并不具備普適性，很難適用于其他結(jié)構(gòu)電堆；且研究控制過程僅局限于單一工作模式與單電池層級(jí)，不符合調(diào)頻應(yīng)用下頻繁工況切換場(chǎng)景，無法表明RSOC電堆在調(diào)頻應(yīng)用上的耐久性。因而需基于工作模式切換，在電堆層面進(jìn)行調(diào)頻可靠性驗(yàn)證分析。

綜上，本文將針對(duì)一種新型內(nèi)嵌微流道的扁管式電堆展開測(cè)試分析[22]。該種電池由浙江臻泰能源有限公司研發(fā)，兼顧了平板式能量密度大，以及管式密封簡(jiǎn)單、啟停快、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，整體采用孔陶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有燃料電池?zé)岫斯ぷ?、冷端密封、組堆無需高溫合金連接板、無需玻璃密封環(huán)的特征，根本上解決了電堆在組裝和運(yùn)行時(shí)可靠性差、不耐熱震性等難題，支持快速啟動(dòng)、靈活組堆，相對(duì)其他常規(guī)技術(shù)路線，更適用于調(diào)頻等電網(wǎng)輔助服務(wù)場(chǎng)景。

考慮到此類新型電堆的機(jī)械結(jié)構(gòu)與常見電堆有所不同，工作特性研究尚處于初步摸索階段，有待深入挖掘其調(diào)頻潛力。本文將首先通過電堆I-V掃描試驗(yàn)，測(cè)試電堆的穩(wěn)態(tài)性能，從調(diào)頻控制的角度，分析電堆工作特性的影響因素；進(jìn)一步基于調(diào)頻電源需求，從動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行2個(gè)角度進(jìn)行試驗(yàn)分析，以期為新型電堆在調(diào)頻場(chǎng)景下的控制應(yīng)用提供相關(guān)參考。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院和浙江臻泰能源有限公司共同開發(fā)的新型內(nèi)嵌微流道的扁管式RSOC電堆及運(yùn)行測(cè)試平臺(tái)開展測(cè)試。

電池基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[23]，整體采用層狀結(jié)構(gòu)，電極、電解質(zhì)、氣道、隔離結(jié)構(gòu)等電池部件依次疊加，電解質(zhì)和整個(gè)隔離結(jié)構(gòu)由一種材料組成并經(jīng)由一次疊壓和燒結(jié)成型，有效保證了電池批量生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性和電池高溫作業(yè)的良好抗熱震性，減小溫度參量對(duì)調(diào)頻應(yīng)用的約束。

電堆基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，由殼體部分和芯組部分組成。

圖2中，殼體部分由上爐體（1）、下爐體（2）、進(jìn)氣保溫蓋（3）、出氣保溫蓋（4）構(gòu)成，依次分別設(shè)有加熱絲、熱電偶和氣體管路等部件，分別用于電堆加熱、控溫與供氣等（見圖3（a））。芯組部分（5）主體由新型扁管式電池串聯(lián)組成，電池的兩端分別嵌入到2塊隔板的缺口中并進(jìn)行密封形成燃料腔室 （見圖3（b））。整體電堆制備過程無需高溫連接板，具備支持靈活多層級(jí)規(guī)整排布及冷端密封的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

測(cè)試平臺(tái)實(shí)物及工藝流程如圖4所示，主要由流量控制計(jì)、柱塞泵、汽化器、加熱器、熱交換器、分離器、電子負(fù)載、電源等硬件設(shè)備組成，可以為電堆測(cè)試提供所需的水蒸氣、氫氣、空氣等原料，并構(gòu)建相應(yīng)的工作溫度區(qū)間。同時(shí)，為滿足動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集頻率，額外配置了電流傳感器與安捷倫數(shù)據(jù)記錄儀，用于采集動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試平臺(tái)可通過電磁閥切換載氣管道，滿足電堆測(cè)試過程中不同工作模式所需的氣體組分。

1.2 試驗(yàn)工況

本次測(cè)試電堆的基本操作參數(shù)如表1所示。

表1 電堆基本操作參數(shù)Table 1 Basic operating parameters of stack

基于電堆操作參數(shù)邊界以及測(cè)試平臺(tái)硬件約束，試驗(yàn)過程中以氫氣流量、空氣流量、水氫比、溫度、負(fù)荷電流作為控制變量，電堆的電壓響應(yīng)特性作為觀測(cè)參數(shù)。對(duì)應(yīng)試驗(yàn)工況如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況表Table 2 Test conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電堆可控變量影響分析

2.1.1 發(fā)電模式

該模式下，設(shè)置電堆處于不同工作溫度（620 ℃、630 ℃、640 ℃）、氫氣流量（1320 mL/min、880 mL/min、440 mL/min）、空氣流量（2000 mL/min、3000 mL/min、4000 mL/min）工況下，進(jìn)行I-V掃描。對(duì)應(yīng)結(jié)果如圖5所示。

圖5 （a）為不同氫氣流量下，電堆的I-V掃描曲線對(duì)比。由圖可以看出，隨著入口氫氣流量的減小，電堆的開路電壓呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，440 mL/min與1320 mL/min氫氣流量工況下對(duì)應(yīng)的開路電壓差達(dá)到了2.89 V。這主要是由于氫氣流量的減小，會(huì)導(dǎo)致電池三相界面處氫分壓降低，電堆的能斯特電動(dòng)勢(shì)隨之下降。隨著電流的增加，不同氫氣流量下電堆的電壓差基本保持不變，整體I-V曲線線性度良好，燃料利用率[14]達(dá)到90%以上，仍未出現(xiàn)傳質(zhì)極限點(diǎn)，體現(xiàn)了新型電堆在燃料傳質(zhì)方面的優(yōu)越性。故在調(diào)頻應(yīng)用時(shí)，氫氣流量能夠線性影響電堆自身的可調(diào)容量、調(diào)節(jié)深度等指標(biāo)，可優(yōu)選作為有效的控制變量，在考慮調(diào)頻容量、里程的基礎(chǔ)上，盡可能提高燃料利用率，優(yōu)化電堆的發(fā)電效率。

空氣流量的變化，對(duì)電堆的開路電壓影響較小（空氣流量減小1倍，開路電壓差僅0.45 V），這主要是由于電堆空氣流道采用開放式結(jié)構(gòu)，且外部殼體密封性較差，電池通道氧分壓始終保持環(huán)境壓力。同時(shí)該種結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致電堆的空氣利用率[14]偏低，小空氣流量下（2000 mL/min），電流增加到0.7 A以上時(shí)，就出現(xiàn)了顯著的傳質(zhì)極限點(diǎn)（如圖5 （b）所示），此時(shí)空氣利用率僅在25%左右（非開放式氣道結(jié)構(gòu)電堆空氣利用率可達(dá)33%以上[26]）。該種特性，使得新型電堆在參與調(diào)頻時(shí)，空氣流量最好保持過量狀態(tài)，否則會(huì)造成輸出功率或調(diào)頻容量的大幅損失，嚴(yán)重影響設(shè)備的調(diào)頻深度。然而過量空氣會(huì)導(dǎo)致大量余熱損失，如何進(jìn)行溫度與空氣流量之間的協(xié)調(diào)配比還有待后續(xù)在系統(tǒng)層級(jí)進(jìn)行研究。

溫度對(duì)電堆工作性能的影響如圖5 （c）所示，可以看出，低電流工況下（＜0.4 A），溫度變化對(duì)電堆功率輸出性能影響較小，放電電流達(dá)到0.4 A以上時(shí)，隨著電流的增大，不同溫度工況下電堆的電壓差逐漸增大，1.3 A時(shí)達(dá)到約1.5 V（640 ℃與620 ℃工況之間）。故而在調(diào)頻應(yīng)用下，溫度可根據(jù)電堆當(dāng)前的調(diào)節(jié)深度，選擇性地作為調(diào)節(jié)變量。

2.1.2 電解模式

該模式下，設(shè)置電堆處于不同工作溫度（620 ℃、630 ℃、640 ℃）、燃料側(cè)流量（H2+水蒸氣，1320 mL/min、1760 mL/min、2200 mL/min）、水氫比（水蒸氣/H2，0.65、0.75、0.85）工況下，進(jìn)行I-V掃描，對(duì)應(yīng)結(jié)果如圖6所示。

由圖6 （a）、（b）可知，水氫比及工作溫度的增加有效降低了電堆的電解電壓，提高了電堆的電解效率[27]，進(jìn)而對(duì)設(shè)備的可調(diào)容量、調(diào)節(jié)深度造成影響，故可作為調(diào)頻應(yīng)用時(shí)調(diào)頻里程控制的可靠參量。圖中部分電流區(qū)段掃描點(diǎn)發(fā)生重合，主要原因是汽化器產(chǎn)生的水蒸氣不穩(wěn)定。

較大水氫比 （0.85）下，不同燃料側(cè)流量對(duì)電堆電解電壓的影響幾乎為0 （如圖6 （c）所示），推測(cè)可能由于測(cè)試過程中燃料側(cè)的水蒸氣利用率整體較低[28]，電解產(chǎn)氫量較少，對(duì)電池通道的氫/水分壓帶來的影響較小，同時(shí)外部水蒸氣供應(yīng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致氣體分壓難以呈現(xiàn)規(guī)律性變化。進(jìn)一步比較水氫比在0.65時(shí)不同燃料側(cè)流量的I-V響應(yīng)曲線，如圖7所示，當(dāng)電流增加至1.2 A以上時(shí)，1320 mL/min流量工況下的電壓出現(xiàn)顯著的傳質(zhì)極限點(diǎn)，流量的增加能夠有效減少濃差極化損失。

因而在調(diào)頻應(yīng)用下，當(dāng)電堆工作于電解模式時(shí)，可優(yōu)先通過調(diào)節(jié)水氫比及溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率即調(diào)節(jié)深度的影響。同時(shí)，高水氫比下，在保持調(diào)頻容量的基礎(chǔ)上可適當(dāng)調(diào)低燃料側(cè)流量，優(yōu)化電堆水蒸氣利用率；低水氫比下，則可通過調(diào)高燃料側(cè)流量防止出現(xiàn)傳質(zhì)極限點(diǎn)，以免造成調(diào)節(jié)設(shè)備主體損傷。

2.2 電堆動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

2.2.1 階躍動(dòng)態(tài)響應(yīng)

發(fā)電模式下，電堆的階躍電流變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖8所示，電流從0.1 A變化至1.3 A，每次變化幅值為0.4 A，每組電流持續(xù)時(shí)間為2 min，電流變化過程中，控制相關(guān)流量、溫度保持不變。

由圖8可以看出，隨著負(fù)荷的階躍變化，電堆電壓隨之快速下降，功率隨電流瞬時(shí)響應(yīng)，從而驗(yàn)證了電堆層級(jí)調(diào)頻應(yīng)用的可行性。同時(shí)電壓下降過程中未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，與單電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能明顯不同[10-12]，原因在于電堆與電池?zé)崛莶煌瑢?dǎo)致的熱動(dòng)態(tài)性能差異。溫度閉環(huán)條件下，電池/電堆的溫度變化主要受到自身反應(yīng)熱以及外部控溫的雙重影響。針對(duì)單電池而言，其自身的熱容較小，反應(yīng)熱引起的溫度變化速率（s級(jí)）遠(yuǎn)快于外部控溫的熱傳導(dǎo)過程（min級(jí)），導(dǎo)致電池溫度響應(yīng)起始將存在一段不可控的快速變化過程（s級(jí)）[11]，進(jìn)而引起對(duì)應(yīng)的電壓上沖/下沖現(xiàn)象。電池組成電堆的過程會(huì)使熱容增大，反應(yīng)熱帶來的溫度變化時(shí)滯性將大幅增加，此時(shí)外部控溫能夠抑制較慢的電堆反應(yīng)熱傳導(dǎo)帶來的影響，進(jìn)而避免了電壓超調(diào)現(xiàn)象。

此外，相同電流變化幅度下，隨著幅值的逐步增大，電堆的弛豫時(shí)間也逐步增加。當(dāng)電流從0.9 A變化至1.3 A時(shí)，電堆的弛豫時(shí)間從63 s增加至71 s（以1 s為間隔，階躍變化后，電堆電壓在±0.02 V之內(nèi)開始持續(xù)波動(dòng)的起始時(shí)刻，認(rèn)為是達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)刻點(diǎn)，對(duì)應(yīng)0.9 A測(cè)試電流下，電堆的電壓在313 s達(dá)到穩(wěn)定；1.3 A測(cè)試電流下，電堆電壓在441 s達(dá)到穩(wěn)定）。這主要是由于隨著電流的增大，電堆的燃料需求量增加，傳質(zhì)過程也逐步成為限制動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率的主因。

另一方面，可以看到在大電流下，新型電堆的傳質(zhì)/傳熱響應(yīng)時(shí)間尺度在min級(jí)別，遠(yuǎn)高于單電池測(cè)試的傳質(zhì)/傳熱響應(yīng)時(shí)間（約2 s，如圖9所示，數(shù)據(jù)來源于浙江臻泰能源有限公司單電池實(shí)驗(yàn)測(cè)試），這主要是由電堆熱容以及傳質(zhì)空間尺度的增大引起。因此，電堆層級(jí)的調(diào)頻應(yīng)用中，傳質(zhì)過程也將成為調(diào)節(jié)速率的約束條件，避免動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中產(chǎn)生局部饑餓現(xiàn)象至關(guān)重要。

進(jìn)一步分析電流階躍變化方向?qū)﹄姸殉谠r(shí)間的影響如圖10所示，電流按照0.1 A-1.3 A-0.1 A的模式進(jìn)行階躍變化，每組電流持續(xù)時(shí)間為2 min?？梢钥闯?，電流階躍方向的不同對(duì)電堆弛豫時(shí)間的影響較小，當(dāng)電流階躍上升時(shí)，電堆電壓響應(yīng)弛豫時(shí)間尾端（239 s～249 s之間）變化斜率約為0.009 2 V/s；電流階躍向下變化時(shí)，對(duì)應(yīng)弛豫響應(yīng)時(shí)間尾端電壓變化斜率為0.007 1 V/s。由于階躍變化幅度較大，2組測(cè)試在電流持續(xù)時(shí)間內(nèi)均未出現(xiàn)穩(wěn)定時(shí)刻點(diǎn)，故通過相同測(cè)試尾端弛豫時(shí)間下電壓的平均變化斜率進(jìn)行量化比較。相較而言，電流階躍下降時(shí)，電堆弛豫時(shí)間較小，從側(cè)面驗(yàn)證了小電流下電堆的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快。

總體而言，階躍動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果表明了新型電堆具備快速功率響應(yīng)的能力，驗(yàn)證了電堆參與調(diào)頻應(yīng)用的可行性。然而，電堆本身還受到傳質(zhì)/傳熱影響，電壓弛豫時(shí)間難以達(dá)到s級(jí)，故在調(diào)頻應(yīng)用中，難以通過控制溫度或流量等大慣性參量滿足調(diào)節(jié)精度需求，需針對(duì)電特性參數(shù)，如配置電壓環(huán)、電流環(huán)的串級(jí)控制，才可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)頻。

2.2.2 斜坡動(dòng)態(tài)響應(yīng)

進(jìn)一步分析電流變化速率對(duì)電堆動(dòng)態(tài)性能的影響。電流從0斜坡增大到1.28 A，電流變化斜率分別為0.2 A/s、0.4 A/s、0.8 A/s、1.6 A/s，對(duì)應(yīng)的電堆電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖11所示。由圖可以看出，在電流變化斜率為1.6 A/s、0.8 A/s工況下，電壓瞬態(tài)的差異性較小，接近10 s時(shí)二者的電壓變化曲線已基本重疊。而在更小的電流變化速率（0.4 A/s、0.2 A/s）下，電壓響應(yīng)曲線則出現(xiàn)明顯不同。這主要是由于電流變化的時(shí)間尺度達(dá)到了1～10 s級(jí)別（3.25 s、6.5 s），與電堆傳質(zhì)過程的響應(yīng)時(shí)間尺度相同，二者耦合影響電堆電壓的弛豫時(shí)間[12,27]。盡管在20 s時(shí)，不同電流變化速率下對(duì)應(yīng)的電壓不同，但達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定點(diǎn)的時(shí)刻卻基本相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了電堆動(dòng)態(tài)響應(yīng)的最終穩(wěn)定時(shí)間主要由傳熱的大時(shí)滯過程決定（溫度閉環(huán)條件下）。因而，可根據(jù)調(diào)頻需求，適當(dāng)管控電流的爬坡速率，避免電堆產(chǎn)生局部過溫、饑餓等現(xiàn)象。

2.2.3 連續(xù)熱啟停響應(yīng)

電堆連續(xù)熱啟停的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖12所示，電流從0（負(fù)載切斷狀態(tài)）階躍變化至0.5 A，每次啟停周期為40 s，連續(xù)變化5次。由圖12可以看出，多次熱啟停周期中，電堆電壓的響應(yīng)曲線基本保持一致，未對(duì)電堆的輸出性能造成顯著影響。啟動(dòng)瞬間電堆電壓在0.1 s內(nèi)從47.6 V下降至42.3 V，電壓爬坡速率達(dá)到了53 V/s，功率同樣可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)響應(yīng)。后續(xù)受傳質(zhì)/傳熱影響，在20 s內(nèi)電堆電壓僅下降約1.7 V（下降至40.6 V），距離0.5 A電流對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電壓相差約0.6 V。

2.3 電堆長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行衰減分析

電堆長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試結(jié)果如圖13所示，對(duì)比了單一電解工況與發(fā)電、電解模式切換時(shí)電堆電壓的變化趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)工作模式切換時(shí)間為1 h，充放電電流均為0.5 A。由局部放大圖可以看出，相同電解時(shí)間下（24 h），單一電解工況電壓呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，而工作于模式切換下電堆的電壓整體呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)，并未出現(xiàn)顯著的衰減。

進(jìn)一步定量分析2種工況下電堆的衰減率，將測(cè)試數(shù)據(jù)按照1 h取平均值，電堆電壓變化如圖14所示。從圖中可以看出，電堆工作于單一電解工況下的小時(shí)衰減率約為0.058%，當(dāng)工作在模式切換條件下時(shí)，電堆的性能甚至產(chǎn)生了優(yōu)化現(xiàn)象，小時(shí)衰減率約為-0.080%。Graves[25]等人認(rèn)為單電池的可逆運(yùn)行能夠消除單一持續(xù)電解過程發(fā)生在氧-電極/電解質(zhì)界面附近的微觀結(jié)構(gòu)降解，改善電池的歐姆電阻，減緩電池衰減。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，在小電流工況下，新型電堆同樣具備類似的優(yōu)化現(xiàn)象。故而驗(yàn)證了在調(diào)頻應(yīng)用中，可通過發(fā)電與電解工作模式的合理切換，增加新型電堆功率輸出的耐久性。

3 結(jié)論

本文基于調(diào)頻需求，針對(duì)一種新型內(nèi)嵌微流道的扁管式電堆進(jìn)行了試驗(yàn)探究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了電堆的變量控制特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能以及長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性，結(jié)論如下。

1）發(fā)電模式下，氫氣流量可優(yōu)選為調(diào)節(jié)參量應(yīng)用于調(diào)頻控制，溫度參數(shù)則適宜于在大電流工況下調(diào)頻，空氣流量在工作過程中最好保持過量狀態(tài)。電解模式下，可通過調(diào)節(jié)水氫比及溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的影響。同時(shí)，在高水氫比工況下，可適當(dāng)調(diào)低燃料側(cè)流量，優(yōu)化電堆水蒸氣利用率；在低水氫比工況下，則可通過調(diào)高燃料側(cè)流量實(shí)現(xiàn)電解效率的提升。

2）溫度閉環(huán)情況下，新型電堆具備參與調(diào)頻應(yīng)用的可行性，然而受傳質(zhì)/傳熱影響，電壓弛豫時(shí)間在10～102s級(jí)別，需進(jìn)行電壓環(huán)、電流環(huán)的串級(jí)控制，才可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)頻。同時(shí)調(diào)頻過程中，電流的幅值以及變化速率均會(huì)對(duì)電堆的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性產(chǎn)生影響，可根據(jù)調(diào)頻需求，適當(dāng)管控電流幅值及其變化速率，防止電堆產(chǎn)生局部過溫、饑餓等現(xiàn)象。

3）相較單一電解工況，在小電流工況下發(fā)電/電解工作模式的合理切換能夠有效減緩甚至優(yōu)化電堆的性能衰減，保障電堆在長(zhǎng)期調(diào)頻動(dòng)態(tài)運(yùn)行下的可靠性，進(jìn)一步證明了新型電堆在調(diào)頻應(yīng)用中的潛力。