质子交换膜燃料电池动态响应特性的研究影响

刘相乾 彭威

(中国船舶重工集团公司第712研究所，武汉 430064)

1 引言

质子交换膜燃料电池(PEMFC)对许多应用装置来说是一种有发展潜力的电源，例如可移动动力源、分散电站及电动车领域，其优点是运行温度低、功率密度高、响应快速、具有快速启动的能力、稳定性好及使用纯氢气时不会有环境污染等[1-3 ]。

PEMFC动态响应是指PEMFC在应用作为电源或者动力源时，负载的突然变化引起 PEMFC各参数的变化响应。车用 PEMFC发动机由于其用途的要求，对 PEMFC在工况下的性能提出了比较高的要求，在启动、停车、加速、制动时要有快速的响应时间和稳定的工作状况，即PEMFC输出功率动态的响应时间长短和性能的稳定性。电池响应时间的长短取决于电池的性能好坏，又影响着电池的性能好坏。快速的负载变化会使电池出现超调和低调现象。低调现象在一定程度上影响着电池的性能和寿命[4-6]，与电池的工作条件如湿度、气体流量、压力、温度等相关。要研究PEMFC的耐久性，工作之一就要研究它的动态特性。

PEMFC的动态响应比传统电源(铅酸电池)慢，限制了其对负载改变时的快速响应。在应用系统中，为弥补PEMFC 较慢的电响应，通常要配备能量储存设备，如电池和超大电容，这会增加系统的体积和成本。获取动态响应特性的主要信息、确定能否减少电池和超大电容的容量或者进一步移除电池和超大电容使系统简单化，是研究 PEMFC的动态响应的主要目的。本文将就燃料电池在驱动不同类型负载和不同的取电方式的模式下研究燃料电池动态响应特性。

2 实验

2.1 电池性能

实验使用 GORE公司提供的 MEA，测试用单电池是 USFCC标准单电池，电池的活性面积为50 cm2。使用自带加热棒加热，并外置加热带保持阴阳极气体管道温度和实验设置气体温度一致。

2.2 测量仪器

实验测试设备使用美国 Scribner Associates公司生产的燃料电池测试系统，并且使用了LeCroy 公司的数字示波器进行精确测试电压的瞬态波形,并进行校正测试系统误差。

2.3 测试操作

研究 PEMFC的动态负载时的响应特性，使用数字示波器(Waverunner L T344)记录暂态电压波形，供实验测量使用。数字示波器的输入阻抗是1 MΩ，它对电流的影响可忽略不计。使PC与数字示波器连接，可记录暂态电压的波形及上升和下降的时间。PEMFC 测试系统(850C)使用的软件是Fuel CellTM，可以由PC 控制，进行数据记录。测试系统的电子负载能够提供不同的负载，便于通过改变负载对电压建立进行测试，并将暂态电压数据进行记录。

首先进行不同阶跃电流时调节时间和低调量的变化规律，在电池的加湿、电池温度、气体温度、压强等各项条件达到稳定，并且测试性能稳定后，进行加载不同的负载阶跃值，并记录此时的电流电压值。分析其变化趋势。同时改变电池的加湿、温度、气体过量比系数、取电方式、负载类型等条件进行测试分析。

3 结果与讨论

3.1 不同负载类型时对电池响应特性影响

图1为固定电流加载时的瞬态特性，此种负载为纯阻性负载，在阶跃电流200 mA/cm2时，响应时间比较快，大约为0. 5 s，此时的低调量也很小，只有0.05 V。

图2为感性负载时瞬态响应特性，此种负载在加载瞬间会有一个电流的峰值出现，同样的阶跃电流相比，低调量和纯电阻负载时相差很小，但响应时间增加。对比上图，会发现响应时间增加到了0.2 s，而低调量的值瞬时大约为0.2 V。因此在连接此种负载时需要特别的控制以保护燃料电池。

图1 阻性负载加载时的瞬态特性

图2 感性负载时瞬态响应特性

图3显示了在不同负载类型，同样的阶跃电流设置，其实际电流值却有着不同的特性，纯阻性负载其实际值与设置值无合度很高，但是对于电感类的负载，其实际值在瞬时却有一个峰值，通过下面理论分析，认为 PEMFC动态响应的电压低调与之相关。

图3 实际电流密度对比

3.2 不同的取电方式时对电池响应特性影响

当PEMFC用固定电流（constant current，cc）的方式加载时，遵循响应模式，电压会出现明显的低调，同时需要一定的调节时间。但是应用固定电压（constant voltage，cv）模式加载时，会发现电流会有一个平滑的过渡过程，而没有出现通常出现的低调或者超调过程，但是调节时间接近固定电流加载的模式。图4（a-d）分别为固定电流下不同阶跃、固定电流下不同化学计量比、固定电压下电压从大到小、固定电压下电压从小到大瞬态响应特性图。实验发现cv模式在应用上明显地更具有良好的瞬态响应特性。cv模式下，同样的阶跃电流，燃料电池的响应时间接近 cc模式，但是其电压的低调为 0。对比试验同时表明，在固定电压加载的状态下，电池可以很“平滑”的达到所需负载值，而对应电流的瞬态响应不会出现低调，同时响应时间也和固定电流加载接近。而固定电流加载时，电池的电压会出现较大低调值，同时亦需要一定的响应时间。当电池连接各种负载时，需要注意其负载自身特性，以纯阻性或者接近阻性为佳，因为感性负载的瞬态响应时间和低调量都会增大，而且容易引起电流的瞬时增大导致气体供应瞬间不足，而电池此时极易发生反极造成伤害。

图4 瞬态响应特性图

3 结束语

通过实验，本文在不同负载、不同阴极气体过量比、不同取电模式、不同负载类型、不同阶跃电流大小的运行条件下，利用燃料电池测试系统、高精度示波器，对PEMFC 的动态响应特性进行了研究。结果表明：

（1）在燃料电池加载不同类型的负载时，其响应特性有较大不同。同样的阶跃电流，PEMFC加载纯阻性负载比加载纯感性负载响应时间更短，低调量更小。当加载纯电感负载而阶跃电流200 mA/cm2时，响应时间大约是加载纯阻性负载时的4倍，低调量大约是加载纯阻性负载时的4倍左右。纯阻性负载更适合燃料电池特性。

（2）无论加载何种负载，随着阶跃电流增加，其响应时间和低调量都会增加。加载纯阻性负载，固定电压加载时电池低调量为 0，而当固定电流加载时，电池会出现较大低调值。两者响应时间接近固定电流加载。因此固定电压加载模式较固定电流加载模式更优。

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[2]何燕, 周震涛. 燃料电池用质子交换膜的研究进展[J ].电池 , 2002 , 32 (3): 168 -1701.

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