PEM燃料电池动态加载时输出特性的在线测量

董新平，闫润瑛

(许昌学院电气信息工程学院，河南许昌461000)

质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具备无污染、高效率、低温启动、低噪声、可快速补充能量等特性，被公认为是今后电动汽车上最理想的驱动电源［1-4］．其反应过程不涉及燃烧和热机做功，能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，能量转换效率能达到60% ～70%，实际使用效率是普通内燃机的两倍左右［1］．因而尽管还存在成本偏高等问题，燃料电池技术的新突破仍将成为21世纪汽车工业竞争的焦点之一．影响PEMFC性能的主要技术参数有工作温度、工作压力、动态输出特性等．与电动汽车实际运行中启动、加速、减速以及刹车等工况相对应，PEMFC在变载情况下的动态电流、功率等输出特性以及不同温度下PEMFC的功率输出特性是燃料电池实验的重要内容［5-7］．为了提供燃料电池系统的运行参数并提供工业建模所需实验数据，要求实验数据能自动记录、保存，能进行在线实时显示并能根据实时数据绘制出输出功率或电流随荷载变化的曲线，进行数据的离线处理和分析．在一定条件和精度要求下，利用动态数据采集和分析系统可初步实现以上要求［8-10］．如果采用传统电压表和电流表对PEMFC的电流、电压和功率特性进行手工测量，因为教学实验用的PEMFC装置存在电流输出在峰值附近出现波动的现象，很难对输出的电流和功率的峰值附近的数据进行准确测量，存在测量数据少、无法实时显示测量结果以及无法准确测量PEMFC的动态输出特性等缺点．

为解决以上问题，本文提出了一种在线测量教学用燃料电池动态输出特性的方法．此方法利用PASCO 750型数据采集和分析系统对PEMFC的动态输出特性进行在线测量，能对测量数据进行实时记录、显示和离线分析．采用这种方法不仅可以克服传统实验不能精确测量电流和功率峰值、无法对实验数据的进行连续采集和实时显示的缺点，同时还提供了一种与工程实践密切相关的实验方法．这对于深入研究PEMFC的特性以及培养学生的了解贴近工程实际的实验方法将起到积极作用．

1 实验原理和装置

实验所用PEMFC装置如图1所示．去离子水经过电解装置电解为H2和O2，H2进入充满去离子水的贮氢罐，压力上升后由于罐内水的重力形成对H2的密封．H2在压力作用下进入PEM燃料电池，在催化剂作用下进行相应的氧化还原反应．图2简要说明了PEMFC的结构和工作原理．氢气在氢燃料电池阳极的催化剂作用下发生氧化反应，反应产生的氢离子通过质子交换膜到达阴极，同时反应产生的电子经过外电路也到达阴极．最终到达阴极的氢离子、电子以及阴极处的氧分子在催化剂的作用下发生还原反应生成水．随着氧化还原反应的持续进行，燃料电池的外电路中由于电子的定向运动形成电流．相应的电极反应为阳极:2H2→4H++4e-，阴极:4H++4e-+O2→2H2O，总反应:2H2+O2→2H2O．

图1 PEMFC实验装置

图2 PEMFC的结构和工作原理

将PEMFC与滑线变阻器或电阻箱串联，利用PASCO 750型数据采集、转换系统对PEMFC的电流、电压和功率动态加载时的输出特性进行测量，并采用DataStudio软件对采集的数据在线进行实时显示和离线分析．目前常用的测量PEMFC输出特性所用电路图如图3所示．图中和分别为数字式电压表和数字式电流表，R为电阻箱或滑线变阻器．改进的实验装置采用PASCO 750型数据采集、转换系统替代数字电压表和电流表，在连续改变荷载条件时，可以对PEMFC的动态输出电流、电压和功率进行在线测量．测量数据通过PASCO的模数转换装置转化为数字信后，利用数据采集和分析软件DataStudio对PEMFC的动态输出特性进行在线显示、分析，并对测量结果进行离线分析．为了与传统的手工测量方法进行对比，利用电压表和电流表以及电阻箱对PEMFC的输出特性也进行了测量，并与改进的在线连续测量方法得到的结果进行对比．

图3 测量电路图

2 实验方法

对PEMFC动态加载时的输出特性进行测量方法如下:(1)将PEMFC的电极与PASCO 750型数据采集、转换系统相应的实时电压、电流采集装置与滑动变阻器连接，并用USB接口将转换后的数字信号与微机连接．用DataStudio软件创建相应的电压和电流测量窗口并建立瞬时功率的计算和显示窗口，准备对通过荷载的电流、荷载两端的电压以及瞬时功率进行测量．(2)将电解池与电源连接产生氢气和氧气，然后将电解池、PEMFC与贮氢罐连接．待贮氢罐内产生15 ml氢气后，打开燃料电池的出口，为燃料电池反应室充入氢气并对PEM进行湿润，同时清除残留气体，关闭反应室出口．最后待贮氢罐内再次充满15 ml氢气后关闭出口，准备进行相关测量．每一组新的测量之前均应该重复充入氢气和清除残余气体的操作，以避免测量误差和其它气体的影响．(3)测量分别针对PEMFC不同工作条件下的特性进行测量．通过测量窗口开始测量进程之后，分别观测负载连续减小以及不同温度下氢燃料电池的动态功率输出特性．

3 实验数据与分析

图4是利用电压表和电流表以及电阻箱对PEMFC的电流、电压及瞬时功率的进行手工测量得到的结果．测量结果表明，随着荷载电阻的减小，回路中的电流开始增加，荷载两端的电压开始减小．在此过程中荷载上的瞬时功率持续增加，当电阻箱阻值为3．3 Ω时输出功率的平均值达到最大值0．021 W，当阻值继续减小时，输出功率随之减小．

采用采用滑线变阻器作为荷载，从200 Ω开始连续减小荷载电阻，对PEMFC的动态输出特性进行在线连续测量．测量结果如图5所示．从图5中可以看出，在测量进行到13．94 s时，瞬时电流、瞬时电压以及瞬时功率分别为0．179 A、0．410 V和0．073 W．与人工测量结果相比，功率—电流的变化趋势基本一致．但是采用在线测量方法可以清楚地看到，在电流和功率的峰值附近，荷载发生变化的短暂时间(约0．05～0．1 s)内瞬时电流和瞬时功率会存在一定程度的突变．对此现象文献［6］的研究结果指出，在动态加载时，电流较大且电流变化较快时，PEMFC的输出电压和内阻会发生一定的波动．阴极由于出现水淹现象导致催化剂活性下降，从而使电池的性能下降，输出电流下降，使得荷载上的电流无法稳定［6］．因此如果用人工方法对PEMFC峰值附近的输出特性进行测量，由于输出电流和功率变化非常快，几乎无法进行有效地测量．

对比图4和图5可以看出，两种测量方法测量的结果明显不同．采用数字电压表和电流表进行人工测量，得到的电流和功率峰值均小于在线测量的结果．人工测量方法虽然能对特定负载下PEMFC的输出特性进行精确测量，但是无法反映峰值附近快速变化的动态输出特性．而采用在线连续测量的方法不仅可以实现对测量数据的动态实时采集和显示，还可以对PEMFC电流和功率峰值附近的变化细节给出精确的描述．这不仅有利于准确掌握PEMFC的动态输出特性，还便于对实验数据进行离线分析和处理．

图4 PEMFC的功率—电流输出特性(人工测量)

图5 连续加载时PEMFC的输出特性(在线测量)

为了分析温度变化对PEMFC性能的影响，对温度为19℃、29℃和39℃时电阻为10 Ω时的电流和功率输出特性进行了测量．测量结果表明，随着温度的上升，荷载上的平均电压分别为0．557 V、0．514 V、0．161 V，平均电流分别为0．031 A、0．034 A、0．140 A，输出功率分别为 0．017 W、0．018 W、0．023 W．由此可以看出升高温度能够在一定程度上能增大PEMFC的输出功率．

4 结语

本文提出了一种动态加载时在线测量氢燃料电池输出特性的方法．利用此方法分别对负载连续变化以及不同温度加载工况下PEMFC的电流、电压和功率的动态输出特性进行了在线测量和分析，实现了对测量数据的实时观测和离线分析．与手工测量方法相比，该方法能够对PEMFC的输出电流和功率峰值附近的输出特性进行准确测量，同时还克服了传统手工测量方法不能进行连续在线测量、无法实时显示测量数据的缺点．实验方案将对促进学生理解氢燃料电池的原理和特性，了解贴近工程实践的实验方法和数据分析方法起到积极的作用．

［1］ 陈全世，仇 斌，谢起成．燃料电池电动汽车［M］．北京:清华大学出版社，2005．

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［9］ 欧颖贤，张军朋．Origin在“研究金属冷却规律”实验数据处理中的应用［J］．实验室研究与探索，2014，33(2):122-125．

［10］ 董新平，闫润瑛，贺丽娜．基于转动传感器的黑体辐射实验［J］．实验室研究与探索，2012，31(3):32-34．