质子交换膜燃料电池的温度控制实验

谢玉洪，黄彦全，赵思臣

(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，新加坡)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一个多耦合的复杂系统，输出性能受众多外部条件的影响，温度是其中之一［1－2］。目前，有关PEMFC温度控制的研究大多针对电堆进行［3－4］，针对单体电池的研究较少。文献［5］基于灰色系统风冷型温度控制系统，建立了燃料电池尾气出口温度的数学模型，但动态响应特性较差，若尾气温度在短时间内迅速变化，会导致风扇功率调节滞后。田玉东等［6］采用多变量模糊推理和模糊逻辑控制的温度控制方案，摆脱了复杂数学模型的限制，但复合控制中采用迭代学习算法产生了巨大的计算量，对处理器的要求极高，一般需要数字信号处理器(DSP)才能完成。

对燃料电池测试实验过程中存在的一些问题，尤其是在绘制I-U曲线时，科学地设置采样点及采样频率从而确保所得实验数据准确可靠，开展的研究甚少。

基于已有的燃料电池相关研究成果，本文作者提出了使用加热制冷设备——半导体制冷片的控制方案，并进行实验验证，以期为PEMFC测试实验提供指导和保障。

1 原理分析

PEMFC通过化学反应直接将化学能转化为电能，电化学总反应式即氢、氧反应生成水，同时释放出热量。电池内部极化也会产生大量的热，包括以下3部分:活化损耗、欧姆损耗和传质损耗［7］。

化学反应放热和极化损耗产热构成了PEMFC的发热功率Pheat，可表示为:

式(1)中:I是电流，Uth是热力学理论电压，取高热值(HHV)1.48 V(化学反应生成液态水)，Ucell是输出电压。

2 实验

2.1 实验设备

用电热片(Raychem公司，额定功率约为1 W/cm2)模拟燃料电池产热。用温度控制器进行温度采集(采样周期为0.5 s)、控制和显示，并进行数据上传，各元件的参数如下:

温度传感器为PT1000铂电阻(Labfacility公司)，测量范围为－50～500℃，精度为0.5℃，处理器为PIC18F4520单片机(Microchip公司)。对温度信号后采样，用模糊运算控制TEC1-12703半导体制冷片(深圳产，40 mm×40 mm×3.

9 mm，额定电压12 V、额定电流3 A、最大制冷功率18 W)的功率，利用H桥电路实现电流反向，进行双向控温。用1602液晶屏(长沙产)显示当前温度，由串口通信将数据传至PC上位机，采用MAX232ACSE+电平转换芯片(Maxim公司)。

温度控制执行模块由半导体制冷片、散热片和轴流风扇构成。轴流风扇的尺寸为40 mm×40 mm×28 mm，额定电压12 V、额定电流0.6 A。燃料电池选用导热性良好的铜质镀金极板。使用GPC-3060D直流稳压电源(苏州产)为控制电路、半导体制冷片和风扇供电，单路电源的最大输出电流为6 A，可对半导体制冷片和风扇工作电压进行外部调节。

2.2 电池工作状态的确定

自制自增湿阴极开放式PEMFC的参数如下:长、宽、高分别为78 mm、68 mm、36 mm;阴极流场为直流道流场，阳极流场为多孔体流场(孔隙率为70%);阴、阳极流道的有效体积分别为2.74 cm3和0.44 cm3，单体电池的有效工作面积为14.88 cm2。电池在60℃时工作的I-U曲线测试条件为:阳极氢气(纯度为99.9%)由高压储气罐经减压阀供给进气，设定压力为0.4 bar;出口端定时排水，排气周期为10 s，每次持续0.2 s。阴极氧气由微型低压空气泵不断吸入空气供给，使阴极流场形成微弱负压(模拟了阴极开放式燃料电池堆的运行方式)。电池所处外部环境温度为25℃。

2.3 测试方案

实验以温度控制器的动态响应特性和稳定性为研究重点，采用控制变量法，主要考察半导体制冷片的工作电压和燃料电池输出电压(实验中体现为电热片功率)对温度控制超调量和振荡周期的影响。测试方案如下:

在室温26℃下进行实验，目标温度为60℃，根据实验经验，将风扇工作电压设定为10 V。在半导体制冷片工作电压为12 V、9 V和6 V等3种条件下，测试不同加热功率时的控制效果。电热片的加热功率，按燃料电池输出电压由开路状态(Ucell=0.95 V)渐变至极限扩散电流状态时的变化规律来调节，模拟实验测试I-U曲线时的流程进行实验，其中燃料电池输出电压阶跃变化梯度为0.05 V(实际测试中，该值约为0.01 V)，最后将测试数据上传至PC上位机保存。

3 结果与讨论

3.1 电池工作状态的确定

电池在60℃时工作的I-U曲线见图1。

图1 PEMFC在60℃时工作的I-U曲线Fig.1 I-U curve of PEMFC working at 60℃

由于缺少准确的控温设备，所得数据有一定的误差，但对实际控制的影响较小。根据式(1)可计算出PEMFC工作在60℃时，不同工作点的发热功率(见表1)。

表1 PEMFC工作在60℃时不同工作点的发热功率Table 1 Heat power of PEMFC when working at 60℃under different condition

采用电热片模拟PEMFC产热，可使实验更快捷方便，功率设定对照表1。在上述3种电压条件下，各选择了4种状态下的数据，分别记为状态1(燃料电池开路状态)、状态2(负载电压由0.75 V突变至0.70 V)、状态3(负载电压由0.55 V突变至0.50 V)、状态4(负载电压由0.25 V突变至0.20 V)，其中负载电压阶跃变化发生在第60 s的时刻。

3.2 使用半导体制冷片测得的电池性能

燃料电池在不同工作电压时的温度变化曲线见图2－4。

图2 燃料电池在工作电压为12 V时的温度变化曲线Fig.2 Temperature changing curves of fuel cell at the working voltage of 12 V

从图2可知，在该条件下，燃料电池负载电压发生阶跃变化后，对温度的影响不明显，温度超调量较大并持续大幅震荡，震荡区间长度为2.5℃，平均温度与目标温度之间的偏移量较大。在电池开路状态下，燃料电池平均温度低于目标温度，随着负载电压减小，震荡区间上移，燃料电池平均温度会高于目标温度。在12 V电压下半导体制冷片的温度调节速度太快导致温度超调和系统震荡。由此可见，目标温度为60℃时，半导体制冷片电压设置为12 V是不可取的。

图3 燃料电池在工作电压为9 V时的温度变化曲线Fig.3 Temperature changing curves of fuel cell at the working voltage of 9 V

从图3可知，相比于12 V条件下，半导体制冷片的温度调节能力比较“柔和”，温度控制的变化体现在震荡区间长度和平均温度的偏移量都减小了，此时，温度基本上在目标温度±1℃以内震荡。根据以上分析可知，当目标温度为60℃时，半导体制冷片采用9 V电压进行温度控制，效果较好。

图4 燃料电池在工作电压为6 V时的温度变化曲线Fig.4 Temperature changing curves of fuel cell at the working voltage of 6 V

从图4可知，在状态1下，当燃料电池处于开路状态时，控制器无法将温度拉升到60℃，即该条件下半导体制冷片的温度调节能力不足;在状态2下，燃料电池自身有一定的发热量，此时温度勉强能维持在目标温度;在状态3下，当负载电压降低至0.5 V时，燃料电池的温度能较长时间维持在60℃;在状态4下，燃料电池自身发热量较高，温度在59.5～60.0℃震荡，此时的温度控制效果较为理想。

综合以上分析，当目标温度为60℃时，半导体制冷片工作电压应设置在6～9 V为宜，避免温度偏移量太大。持续温度震荡，会对燃料电池测试造成一定影响，但可通过连续采样求平均值的方法提高实验结果的精度。实验中各种条件下的振荡周期约为50 s，建议在测试实验中将采样间隔设置为2 s，1个周期内可采集25个数据点，连续采样2个周期后，通过求平均值可得到较为精确的结果。

4 结论

将具有快速控温和双向控温性的半导体制冷片用于燃料电池单体电池温度控制系统中，使测试过程能较稳定地控制温度，提高了实验结果的准确性和可靠性。

该温度控制方案是有效可行的。半导体制冷片工作电压和燃料电池输出电压对于温度控制影响较大，因此可以结合脉宽调制技术和电压控制法进行控制，达到滑模效果，并且将燃料电池输出电压作为模糊控制器的一个输入量，使模糊规则更为合理。提高温度测量精度，有助于提高控制精度，从而改善温度控制效果。

［1］TIAN Yu-dong(田玉东)，ZHU Xin-jian(朱新坚)，CAO Guang-yi(曹广益).质子交换膜燃料电池的温度实验分析［J］.Battery Bimonthly(电池)，2005，35(3):221 －222.

［2］ZHU Xing-guang(朱星光).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.

［3］Ana M L，Jorge B，Vicente R，et al.Design and development of the cooling system of a 2 kW nominal power open-cathode polymer electrolyte fuel cell stack［J］.Int J Hydrogen Energy，2012，37(8):7 289－7 298.

［4］CHU Lei-min(褚磊民)，WEI Dong(卫东)，LU Yong-jun(陆勇军)，et al.空冷型质子交换膜燃料电池电堆温度控制系统设计［J］.Industrial Control Computer(工业控制计算机)，2009，22(10):18－20.

［5］LIU Jing(刘晶)，SHEN Wei-dong(沈为东)，RUAN Yu(阮喻)，et al.基于灰色系统的质子交换膜燃料电池温度控制［J］.Dianyuan Jishu(电源技术)，2006，30(12):997 －999.

［6］TIAN Yu-dong(田玉东)，ZHU Xin-jian(朱新坚)，CAO Guang-yi(曹广益).质子交换膜燃料电池移动电源温度模糊控制［J］.Dianyuan Jishu(电源技术)，2005，29(3):157 －159.

［7］YI Bao-lian(衣宝廉).燃料电池——原理·技术·应用［M］.Beijing(北京):Chemical Industry Press(化学工业出版社)，2003.5－25.