空冷型PEMFC的温度控制影响

曹 洪，王 奔，闵 杰，韩 明

(1.西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031； 2.淡马锡理工学院清洁能源研究中心，新加坡 529757)



空冷型PEMFC的温度控制影响

曹 洪1，2，王 奔1，闵 杰1，2，韩 明2

(1.西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031； 2.淡马锡理工学院清洁能源研究中心，新加坡 529757)

对自制空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行变负载条件下有、无温度控制的工况对比。研究负载骤升过程中燃料电池表面温度分布情况，以及两组实验功率输出的差异性。温度控制能在燃料电池负载发生突变时，保持燃料电池表面温度良好的对称性和均匀性；无温度控制的燃料电池，抗负载扰动能力较弱，负载变化时的温度偏差最高达29.5%，但输出功率与有温度控制时仅相差0.6%。温度控制能维持燃料电池良好的工作环境，但不能明显提高燃料电池的输出功率。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)； 空冷型； 温度分布； 功率输出

阴极开放式质子交换膜燃料电池(PEMFC)因辅助系统简单，适合在便携式移动设备上应用。工作时的水热平衡是阴极开放式PEMFC研究的热点。一方面，温度过低，不仅会影响电化学反应的速率，且会降低饱和蒸汽压，此时阴极产生的水主要以液态存在，虽然一部分水分子会反扩散，到达阳极并通过间歇式排气排出，但水量过多，将会积累在流道出口，如果不能及时排出，会引起电池“水淹”，影响性能[1]；另一方面，温度过高，蒸汽分压会提高，导致质子交换膜的含水量减少，膜内阻上升，引起电池性能的下降。

在有关燃料电池温度控制的研究中，不少学者研究了单体电池的温度控制[2]，或PEMFC电堆工作中单一温度的控制实验[3]，但没有对PEMFC电堆工况进行进一步的实验和分析。文献[4]研究提出了一种适合于PEMFC的控制算法，也研究了PEMFC最佳的工作温度，但对PEMFC负载的设置过于理想，很难看出负载变化对温度分布的影响。

本文作者采用自制的PEMFC，在常温常压条件下，研究了负载变化时采取恒压风速冷却系统和变参数比例-积分-微分(PID)温度控制系统的PEMFC温度分布、电流和功率变化情况，分析温度控制对PEMFC工况的影响。

1 实验系统及方案

1.1 实验设备

实验用空冷型PEMFC由16片单体电池组成，阳极为密封结构，阴极为开放式结构。PEMFC电堆的有效截面积为41 mm×28.5 mm，采用高纯度氢气(99%)供氢，氢气气压为6 0 kPa。PEMFC采取阳极间歇式排气，排气周期为10 s。

其他实验设备还包括：PLZ1004W型可编程电子负载(日本产)；可调速的直流型散热风扇(加拿大产，额定电压为12 V)；自主研发的燃料电池温度控制系统；GPC-3060D型直流电源(台湾省产)；Fluke Ti25红外热像仪(美国产)。整个实验系统如图1所示。

图1 实验系统设备连接结构框图Fig.1 Structure diagram of experimental system

1.2 实验测试方案

实验中，电子负载工作在恒压模式。为了实现负载的变化，采取负载阶跃变化，并用Wavy软件记录燃料电池电压、电流和功率的变化曲线。整个实验持续40 min，设置负载电压变化见图2，即单体电池电压为0.65 V、0.70 V、0.60 V和0.75 V，每个阶段持续10 min。

图2 设定的负载电压变化曲线Fig.2 The setted working voltage change curve

实验方案由两组构成：

A组实验不采用温度控制系统，采取直流供电。为了确保燃料电池在较高负载工作时，不会因为温度过高导致燃料电池发生永久性的损坏，实验风扇的供电电压设定为8.6 V。该电压可以保证燃料电池能在最高负载下安全运行。

B组实验采用变参数PID控制算法，并根据燃料电池的电流与温度关系，采用脉宽调制(PWM)控制技术，调节风扇产生的风量，使燃料电池工作在一个安全、高效的温度范围内[5]，确保PEMFC在低功率输出情况下的温度不会骤降，在高功率输出时的温度不会骤升。

2 结果与讨论

2.1 温度分布

对于阴极开放式的燃料电池而言，表面温度分布反应了电池内部的电化学反应程度、电流密度、产热量与散热量的平衡情况等。

影响PEMFC温度变化的因素主要有两个：负载变化；阴极风扇的空冷效果。实验采用变负载运行燃料电池，并实时监测电池温度的变化。

燃料电池的温度与风扇电压变化曲线见图3。

1 A组无温度控制 2 B组有温度控制图3 两组实验的温度与风扇电压变化曲线

从图3可知，具有温度控制的系统(B组)能根据负载的变化实时改变风扇电压，使燃料电池工作在一个较合适的温度范围。从系统响应的快速性上来看，当负载发生阶跃变化时，无温度控制系统(A组)的调节时间更长。这对燃料电池输出的稳定性及燃料电池本身的寿命不利。

以负载变化将温度分为4个阶段，并按阶段取平均值，分析情况如表1所示。

表1 两组实验各阶段平均温度

从表1可知，两组实验中，负载电压越低，电池的温度越高。这是因为负载电压越低，电流密度越大，电池内部的电化学反应越剧烈，发热量就越大。从温度稳定性的角度来分析，无温度控制系统的A组实验中，相邻两个负载阶段的温度变化幅度最高达29.5%；而具有温度控制系统的B组实验，温度变化幅度最高仅有9.2%。

为了研究温度控制对水热平衡的影响，取燃料电池负载电压由低到高的过程，因为在这一过程中，产热和产水都急剧增加，燃料电池原有的平衡状态会被打破。如果风扇系统控制不当，导致温度过高，则损坏燃料电池；温度过低，则容易造成燃料电池“水淹”。

图4为实验进行到第1 210 s时记录的燃料电池表面温度分布3D图。

图4 两组实验进行到第1 210 s时的温度分布3D图

从图4可知，A组实验的中间高温部分更加突出。两组实验燃料电池温度分布均为中间高、两边低。呈现这种温度分布的原因，文献[6]认为与实验选取风扇“吹”的散热模式有关。“吹”模式的空气流场，会导致中间流速略低于边缘流速，燃料电池两侧固定的金属外壳，也有助于边缘散热。

为了更精确地了解两组实验温度分布情况，取两组3D图中等水平距离上的单体电池温度绘制温度分布曲线，如图5所示。

图5 电堆表面温度分布图Fig.5 Surface temperature distribution of fuel cell stack

从图5可知，B组有温度控制实验在燃料电池负载发生变化时，温度的对称性好于A组无温度控制实验。A组温度分布右侧(氢气进出口)低于左侧。两组实验在相同时间点上发生温度分布对称差异的原因主要是：在相同负载变化下，B组实验的温度在前一阶段已比A组实验高出14.7%，因此进入高负载运行时，升温速度更快，温度的提高有助于在高负载下阴极水蒸气的排出，燃料电池能很快进入新的水热平衡状态；相反，无温度控制的A组实验，前一阶段温度较低，当进入高负载运行时，水的生成量增加，而温度提升较慢。在这一时间点上，阴极水蒸气的排出效果必然不如B组实验，因此某些单体电池的性能下降，进而影响电池表面温度的均匀性和对称性。由于实验的水排气周期较短(10 s)，避免了燃料电池长时间“水淹”的可能，一段时间后，便达到一个新的水热平衡点。这也是图3中A组实验燃料电池温度到达稳定所需时间比B组实验长的原因。

2.2 功率输出

输出功率的大小是衡量PEMFC工况是否良好的重要标志。燃料电池输出功率，除了受到电池本身(如膜内阻)的影响外，还受电池水热平衡的影响。

两组实验下功率、电流随时间变化的曲线见图6。

1 A组无温度控制 2 B组有温度控制图6 功率、电流变化曲线Fig.6 Power output and current curves

从图6可知，在高电压负载下，功率、电流都相对较低；在低电压负载下，功率、电流都相对较高。A、B两组实验的工作电流、输出功率在不同负载阶段基本相同，但当负载电压发生变化时，具有温度控制系统的B组实验能较快地进入另一个平衡状态，A组实验燃料电池所需时间则较长。

将图6功率、电流按照负载电压的变化分为4个阶段，分别计算平均功率和平均电流，结果见表2。

表2 各阶段的平均功率与平均电流

从表2可知，各阶段的功率、电流相差不大。平均功率偏差最大阶段(12.0 V)仅有1.2%；平均电流偏差最大阶段(11.2 V)仅有2.0%。有无温度控制系统的燃料电池，输出功率变化不大，但有温度控制时，输出功率稳定性更好。

实验中，两组实验燃料电池输出功率变化不大的原因，还与实验中风扇电压的选择及排水周期的选择有关。A组实验选取的风扇电压足够大，确保了燃料电池能安全运行；排水周期选择10 s，确保了燃料电池即使在无温度控制情况下，负载骤然升高，水热平衡被打破时，也不会发生严重的“水淹”现象。良好排水周期的选择，可辅助燃料电池达到一个新的水热平衡点。

3 结论

本文作者基于实验室自制的空冷型PEMFC，进行了变负载情况下，风扇恒压供电实验和温度反馈的变参数PID控制实验，分析了燃料电池负载发生突变时温度分布情况和两组实验的功率输出情况，得到以下结论：

有温度反馈控制的PEMFC，能在负载发生变化时，避免燃料电池温度发生骤降或骤升。风扇恒压控制的PEMFC，温度进入稳定状态花费时间较长，且负载发生阶跃变化时，燃料电池温度均匀性和对称性都较差。温度控制可以保证燃料电池的工作环境相对良好，有利于延长燃料电池的使用寿命。

无论是有温度反馈控制还是风扇恒压控制的PEMFC，电池输出功率与电流都基本一致。由此可以推测：在复杂变负载的工作条件下，温度控制系统可以提高燃料电池的抗负载变化能力，保证燃料电池工况良好。在负载非频繁变化时或负载变化量不大的条件下，从节约成本角度考虑，只需选择合适的排水周期及足够量的风速，就可保证燃料电池的稳定运行。

[1] CHEN Dong-hao(陈东浩)，BU Qing-yuan(卜庆元)，CHEN Wei-rong(陈维荣)，etal.空冷型PEMFC阳极排气周期实验研究[J].Battery Bimonthly(电池)，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(卫东)，etal.空冷型PEMFC电堆温度特性及模糊PID融合控制[J].Dianyuan Jishu(电源技术)，2010，34(4)：342-345.

[4] ZHAO Si-chen(赵思臣)，WANG Ben(王奔)，XIE Yu-hong(谢玉洪)，etal.无外增湿质子交换膜燃料电池线性温度扫描实验[J].Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engi-neering(中国电机工程学报)，2014，34(26)：4 528-4 533.

[5] CHEN Xue-jiao(陈雪娇),QI Zhi-dong(戚志东),LI Lie(李蕾).空冷型PEMFC电堆温度建模及改进GPC控制[J].Dianyuan Jishu(电源技术),2012,36(10):1 463-1 466.

[6] ZHU Xing-guag(朱星光)，JIA Qiu-hong(贾秋红)，CHEN Tang-long(陈唐龙)，etal.质子交换膜燃料电池阴极风扇系统实验研究[J].Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering(中国电机工程学报)，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，西南交通大学电气工程学院硕士生，研究方向：液流电池储能系统、燃料电池电气控制系统、新能源应用，本文联系人；

TM911.42

A

1001-1579(2015)05-0244-04

2015-06-15

王 奔(1960-)，男，湖南人，西南交通大学电气工程学院教授，研究方向：电力系统控制、新能源应用；

闵 杰(1988-)，男，江苏人，西南交通大学电气工程学院硕士生，研究方向：热光伏发电、新能源应用；

韩 明(1960-)，男，新加坡，淡马锡理工学院清洁能源中心研究员，研究方向：燃料电池、液流电池。