曹 洪，王 奔，閔 杰，韓 明

(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)

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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(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)

對(duì)自制空冷型質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)進(jìn)行變負(fù)載條件下有、無(wú)溫度控制的工況對(duì)比。研究負(fù)載驟升過(guò)程中燃料電池表面溫度分布情況，以及兩組實(shí)驗(yàn)功率輸出的差異性。溫度控制能在燃料電池負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，保持燃料電池表面溫度良好的對(duì)稱(chēng)性和均勻性；無(wú)溫度控制的燃料電池，抗負(fù)載擾動(dòng)能力較弱，負(fù)載變化時(shí)的溫度偏差最高達(dá)29.5%，但輸出功率與有溫度控制時(shí)僅相差0.6%。溫度控制能維持燃料電池良好的工作環(huán)境，但不能明顯提高燃料電池的輸出功率。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)； 空冷型； 溫度分布； 功率輸出

陰極開(kāi)放式質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)因輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)單，適合在便攜式移動(dòng)設(shè)備上應(yīng)用。工作時(shí)的水熱平衡是陰極開(kāi)放式PEMFC研究的熱點(diǎn)。一方面，溫度過(guò)低，不僅會(huì)影響電化學(xué)反應(yīng)的速率，且會(huì)降低飽和蒸汽壓，此時(shí)陰極產(chǎn)生的水主要以液態(tài)存在，雖然一部分水分子會(huì)反擴(kuò)散，到達(dá)陽(yáng)極并通過(guò)間歇式排氣排出，但水量過(guò)多，將會(huì)積累在流道出口，如果不能及時(shí)排出，會(huì)引起電池“水淹”，影響性能[1]；另一方面，溫度過(guò)高，蒸汽分壓會(huì)提高，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜的含水量減少，膜內(nèi)阻上升，引起電池性能的下降。

在有關(guān)燃料電池溫度控制的研究中，不少學(xué)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(shí)驗(yàn)[3]，但沒(méi)有對(duì)PEMFC電堆工況進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和分析。文獻(xiàn)[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(duì)PEMFC負(fù)載的設(shè)置過(guò)于理想，很難看出負(fù)載變化對(duì)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(fù)載變化時(shí)采取恒壓風(fēng)速冷卻系統(tǒng)和變參數(shù)比例-積分-微分(PID)溫度控制系統(tǒng)的PEMFC溫度分布、電流和功率變化情況，分析溫度控制對(duì)PEMFC工況的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)用空冷型PEMFC由16片單體電池組成，陽(yáng)極為密封結(jié)構(gòu)，陰極為開(kāi)放式結(jié)構(gòu)。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(yáng)極間歇式排氣，排氣周期為10 s。

其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備還包括：PLZ1004W型可編程電子負(fù)載(日本產(chǎn))；可調(diào)速的直流型散熱風(fēng)扇(加拿大產(chǎn)，額定電壓為12 V)；自主研發(fā)的燃料電池溫度控制系統(tǒng)；GPC-3060D型直流電源(臺(tái)灣省產(chǎn))；Fluke Ti25紅外熱像儀(美國(guó)產(chǎn))。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備連接結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案

實(shí)驗(yàn)中，電子負(fù)載工作在恒壓模式。為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載的變化，采取負(fù)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(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)40 min，設(shè)置負(fù)載電壓變化見(jiàn)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(gè)階段持續(xù)10 min。

圖2 設(shè)定的負(fù)載電壓變化曲線Fig.2 The setted working voltage change curve

實(shí)驗(yàn)方案由兩組構(gòu)成：

A組實(shí)驗(yàn)不采用溫度控制系統(tǒng)，采取直流供電。為了確保燃料電池在較高負(fù)載工作時(shí)，不會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高導(dǎo)致燃料電池發(fā)生永久性的損壞，實(shí)驗(yàn)風(fēng)扇的供電電壓設(shè)定為8.6 V。該電壓可以保證燃料電池能在最高負(fù)載下安全運(yùn)行。

B組實(shí)驗(yàn)采用變參數(shù)PID控制算法，并根據(jù)燃料電池的電流與溫度關(guān)系，采用脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)，調(diào)節(jié)風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)量，使燃料電池工作在一個(gè)安全、高效的溫度范圍內(nèi)[5]，確保PEMFC在低功率輸出情況下的溫度不會(huì)驟降，在高功率輸出時(shí)的溫度不會(huì)驟升。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度分布

對(duì)于陰極開(kāi)放式的燃料電池而言，表面溫度分布反應(yīng)了電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)程度、電流密度、產(chǎn)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(gè)：負(fù)載變化；陰極風(fēng)扇的空冷效果。實(shí)驗(yàn)采用變負(fù)載運(yùn)行燃料電池，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度的變化。

燃料電池的溫度與風(fēng)扇電壓變化曲線見(jiàn)圖3。

1 A組無(wú)溫度控制 2 B組有溫度控制圖3 兩組實(shí)驗(yàn)的溫度與風(fēng)扇電壓變化曲線

從圖3可知，具有溫度控制的系統(tǒng)(B組)能根據(jù)負(fù)載的變化實(shí)時(shí)改變風(fēng)扇電壓，使燃料電池工作在一個(gè)較合適的溫度范圍。從系統(tǒng)響應(yīng)的快速性上來(lái)看，當(dāng)負(fù)載發(fā)生階躍變化時(shí)，無(wú)溫度控制系統(tǒng)(A組)的調(diào)節(jié)時(shí)間更長(zhǎng)。這對(duì)燃料電池輸出的穩(wěn)定性及燃料電池本身的壽命不利。

以負(fù)載變化將溫度分為4個(gè)階段，并按階段取平均值，分析情況如表1所示。

表1 兩組實(shí)驗(yàn)各階段平均溫度

從表1可知，兩組實(shí)驗(yàn)中，負(fù)載電壓越低，電池的溫度越高。這是因?yàn)樨?fù)載電壓越低，電流密度越大，電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)越劇烈，發(fā)熱量就越大。從溫度穩(wěn)定性的角度來(lái)分析，無(wú)溫度控制系統(tǒng)的A組實(shí)驗(yàn)中，相鄰兩個(gè)負(fù)載階段的溫度變化幅度最高達(dá)29.5%；而具有溫度控制系統(tǒng)的B組實(shí)驗(yàn)，溫度變化幅度最高僅有9.2%。

為了研究溫度控制對(duì)水熱平衡的影響，取燃料電池負(fù)載電壓由低到高的過(guò)程，因?yàn)樵谶@一過(guò)程中，產(chǎn)熱和產(chǎn)水都急劇增加，燃料電池原有的平衡狀態(tài)會(huì)被打破。如果風(fēng)扇系統(tǒng)控制不當(dāng)，導(dǎo)致溫度過(guò)高，則損壞燃料電池；溫度過(guò)低，則容易造成燃料電池“水淹”。

圖4為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第1 210 s時(shí)記錄的燃料電池表面溫度分布3D圖。

圖4 兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第1 210 s時(shí)的溫度分布3D圖

從圖4可知，A組實(shí)驗(yàn)的中間高溫部分更加突出。兩組實(shí)驗(yàn)燃料電池溫度分布均為中間高、兩邊低。呈現(xiàn)這種溫度分布的原因，文獻(xiàn)[6]認(rèn)為與實(shí)驗(yàn)選取風(fēng)扇“吹”的散熱模式有關(guān)。“吹”模式的空氣流場(chǎng)，會(huì)導(dǎo)致中間流速略低于邊緣流速，燃料電池兩側(cè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)在燃料電池負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，溫度的對(duì)稱(chēng)性好于A組無(wú)溫度控制實(shí)驗(yàn)。A組溫度分布右側(cè)(氫氣進(jìn)出口)低于左側(cè)。兩組實(shí)驗(yàn)在相同時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生溫度分布對(duì)稱(chēng)差異的原因主要是：在相同負(fù)載變化下，B組實(shí)驗(yàn)的溫度在前一階段已比A組實(shí)驗(yàn)高出14.7%，因此進(jìn)入高負(fù)載運(yùn)行時(shí)，升溫速度更快，溫度的提高有助于在高負(fù)載下陰極水蒸氣的排出，燃料電池能很快進(jìn)入新的水熱平衡狀態(tài)；相反，無(wú)溫度控制的A組實(shí)驗(yàn)，前一階段溫度較低，當(dāng)進(jìn)入高負(fù)載運(yùn)行時(shí)，水的生成量增加，而溫度提升較慢。在這一時(shí)間點(diǎn)上，陰極水蒸氣的排出效果必然不如B組實(shí)驗(yàn)，因此某些單體電池的性能下降，進(jìn)而影響電池表面溫度的均勻性和對(duì)稱(chēng)性。由于實(shí)驗(yàn)的水排氣周期較短(10 s)，避免了燃料電池長(zhǎng)時(shí)間“水淹”的可能，一段時(shí)間后，便達(dá)到一個(gè)新的水熱平衡點(diǎn)。這也是圖3中A組實(shí)驗(yàn)燃料電池溫度到達(dá)穩(wěn)定所需時(shí)間比B組實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)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(biāo)志。燃料電池輸出功率，除了受到電池本身(如膜內(nèi)阻)的影響外，還受電池水熱平衡的影響。

兩組實(shí)驗(yàn)下功率、電流隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖6。

1 A組無(wú)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(fù)載下，功率、電流都相對(duì)較低；在低電壓負(fù)載下，功率、電流都相對(duì)較高。A、B兩組實(shí)驗(yàn)的工作電流、輸出功率在不同負(fù)載階段基本相同，但當(dāng)負(fù)載電壓發(fā)生變化時(shí)，具有溫度控制系統(tǒng)的B組實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^快地進(jìn)入另一個(gè)平衡狀態(tài)，A組實(shí)驗(yàn)燃料電池所需時(shí)間則較長(zhǎng)。

將圖6功率、電流按照負(fù)載電壓的變化分為4個(gè)階段，分別計(jì)算平均功率和平均電流，結(jié)果見(jiàn)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(wú)溫度控制系統(tǒng)的燃料電池，輸出功率變化不大，但有溫度控制時(shí)，輸出功率穩(wěn)定性更好。

實(shí)驗(yàn)中，兩組實(shí)驗(yàn)燃料電池輸出功率變化不大的原因，還與實(shí)驗(yàn)中風(fēng)扇電壓的選擇及排水周期的選擇有關(guān)。A組實(shí)驗(yàn)選取的風(fēng)扇電壓足夠大，確保了燃料電池能安全運(yùn)行；排水周期選擇10 s，確保了燃料電池即使在無(wú)溫度控制情況下，負(fù)載驟然升高，水熱平衡被打破時(shí)，也不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的“水淹”現(xiàn)象。良好排水周期的選擇，可輔助燃料電池達(dá)到一個(gè)新的水熱平衡點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文作者基于實(shí)驗(yàn)室自制的空冷型PEMFC，進(jìn)行了變負(fù)載情況下，風(fēng)扇恒壓供電實(shí)驗(yàn)和溫度反饋的變參數(shù)PID控制實(shí)驗(yàn)，分析了燃料電池負(fù)載發(fā)生突變時(shí)溫度分布情況和兩組實(shí)驗(yàn)的功率輸出情況，得到以下結(jié)論：

有溫度反饋控制的PEMFC，能在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，避免燃料電池溫度發(fā)生驟降或驟升。風(fēng)扇恒壓控制的PEMFC，溫度進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，且負(fù)載發(fā)生階躍變化時(shí)，燃料電池溫度均勻性和對(duì)稱(chēng)性都較差。溫度控制可以保證燃料電池的工作環(huán)境相對(duì)良好，有利于延長(zhǎng)燃料電池的使用壽命。

無(wú)論是有溫度反饋控制還是風(fēng)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(cè)：在復(fù)雜變負(fù)載的工作條件下，溫度控制系統(tǒng)可以提高燃料電池的抗負(fù)載變化能力，保證燃料電池工況良好。在負(fù)載非頻繁變化時(shí)或負(fù)載變化量不大的條件下，從節(jié)約成本角度考慮，只需選擇合適的排水周期及足夠量的風(fēng)速，就可保證燃料電池的穩(wěn)定運(yùn)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(yáng)極排氣周期實(shí)驗(yàn)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(wèi)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(shù))，2010，34(4)：342-345.

[4] ZHAO Si-chen(趙思臣)，WANG Ben(王奔)，XIE Yu-hong(謝玉洪)，etal.無(wú)外增濕質(zhì)子交換膜燃料電池線性溫度掃描實(shí)驗(yàn)[J].Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engi-neering(中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào))，2014，34(26)：4 528-4 533.

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[6] ZHU Xing-guag(朱星光)，JIA Qiu-hong(賈秋紅)，CHEN Tang-long(陳唐龍)，etal.質(zhì)子交換膜燃料電池陰極風(fēng)扇系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J].Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering(中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào))，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(xué)電氣工程學(xué)院碩士生，研究方向：液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、燃料電池電氣控制系統(tǒng)、新能源應(yīng)用，本文聯(lián)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(xué)電氣工程學(xué)院教授，研究方向：電力系統(tǒng)控制、新能源應(yīng)用；

閔 杰(1988-)，男，江蘇人，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士生，研究方向：熱光伏發(fā)電、新能源應(yīng)用；

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