泮國榮，胡桂林，項(xiàng)忠曉，李國能，張治國

（浙江科技學(xué)院輕工學(xué)院，浙江杭州310023）

摘要：為了系統(tǒng)研究質(zhì)子交換膜燃料電池在不同氫氣流量、氧氣流量和負(fù)載等情況下的電池性能及其規(guī)律，設(shè)計(jì)并搭建了用于測(cè)試質(zhì)子交換膜燃料電池性能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。介紹了整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括陰陽極供氣系統(tǒng)、加濕器、超溫檢測(cè)和氫氣檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)等，給出了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)方法。搭建的測(cè)試系統(tǒng)可根據(jù)不同的工況要求進(jìn)行適當(dāng)改動(dòng)來實(shí)現(xiàn)大量程的應(yīng)用，具有良好的靈活性。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)由于具有功率密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、能量轉(zhuǎn)換效率高、低溫啟動(dòng)性能好、啟動(dòng)迅速和無污染等優(yōu)點(diǎn)[1]，是目前最有希望應(yīng)用于便攜式電源、小型固定發(fā)電站、電動(dòng)汽車等交通工具的動(dòng)力電源，市場(chǎng)前景相當(dāng)可觀。對(duì)于PEMFC來說，如何能讓PEMFC在最佳工作狀態(tài)穩(wěn)定工作，就需要考慮不同氫氣流量、氫氣尾氣排放頻率、氧氣流量、進(jìn)氣溫濕度對(duì)其工作性能的影響。因此，本研究設(shè)計(jì)并搭建了PEMFC測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參考了國內(nèi)一些燃料電池測(cè)試系統(tǒng)的搭建[2-6]。

1測(cè)試系統(tǒng)

圖1為測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備連接圖，系統(tǒng)主要包括陽極供氣排氣系統(tǒng)、陰極供氣排氣系統(tǒng)、電池反應(yīng)堆溫度測(cè)控、氫氣檢測(cè)報(bào)警以及電子負(fù)載等部分。本系統(tǒng)中PEMFC的氫氣、氧氣供氣系統(tǒng)的氣路均由聚氨酯氣管、快接口連接而成，具有密封性好，安裝拆卸快速方便，易于后期的改動(dòng)、檢查氣密性，并且具有較大靈活性，可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)要求改變其氣路滿足變化的流量等。

1.1陽極供氣及排放系統(tǒng)

陽極供氣系統(tǒng)主要由氫氣氣瓶、氮?dú)鈿馄俊p壓閥、LZB-10氫氣流量計(jì)、加濕器、計(jì)時(shí)器、電磁閥等部分組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)減壓閥至合適壓力（0.5MPa左右），關(guān)閉氮?dú)膺M(jìn)氣閥，打開氫氣氣瓶，通過調(diào)節(jié)流量計(jì)旋鈕使氫氣流量（0.4m3/h左右）適中。氫氣通過加濕器加濕之后，以一定的濕度、流量流向PEMFC的陽極。計(jì)時(shí)器和防暴電磁閥組合成脈沖放氣控制器，以一定頻率打開、閉合電磁閥，使氫氣能在燃料電池中反應(yīng)一段時(shí)間而后排出，這樣能大大提高氫氣的利用率，此外，使燃料電池流道內(nèi)的氫氣保持一定的壓力，讓氫氣更有效進(jìn)入到催化反應(yīng)層。

實(shí)驗(yàn)完成后，切斷負(fù)載，將氫氣氣瓶及進(jìn)氣閥關(guān)閉，調(diào)節(jié)計(jì)時(shí)器使電磁閥處于常開狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，燃料電池中仍有殘留氫氣，為保護(hù)燃料電池和實(shí)驗(yàn)室安全，采用氮?dú)膺M(jìn)行吹掃，使氫氣完全排出燃料電池，吹掃至電壓表顯示為0V后，關(guān)閉氮?dú)鈿馄俊?/p>

1.2陰極供氣及排放系統(tǒng)

陰極使用空氣或氧氣作為反應(yīng)氣體，空氣通過時(shí)空氣中的氧氣與催化劑層反應(yīng)。此外，空氣流通可以對(duì)燃料電池起到冷卻的作用。為了讓空氣穩(wěn)定通過電池，本系統(tǒng)將空氣進(jìn)氣管分成兩道平行吹掃，使空氣能均勻吹掃整個(gè)電池，避免局部反應(yīng)不完全、局部溫度過高而降低電池效率。燃料電池陰極供氣系統(tǒng)主要由空壓機(jī)、LZB-15流量計(jì)、褶型空氣濾清器等部分構(gòu)成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，打開空壓機(jī)，待空壓機(jī)達(dá)到一定壓力時(shí)，打開空氣進(jìn)氣閥，調(diào)節(jié)流量計(jì)旋鈕使空氣流量穩(wěn)定到一定值(4.45m3/h)，在其通過褶型空氣濾清器濾清后吹入燃料電池，該空氣濾清器對(duì)空氣的壓力損失非常小，實(shí)驗(yàn)中可以忽略不計(jì)[7]。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)先關(guān)閉氫氣氣瓶，讓空氣對(duì)燃料電池冷卻一段時(shí)間后再關(guān)閉進(jìn)氣閥、空壓機(jī)。

1.3加濕器設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的加濕器是自行設(shè)計(jì)的，基于冒泡法工作，其工作原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示，在注水孔注入去離子水，將加濕器連接電源，電熱帶工作，氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入，進(jìn)入到加濕器底部。而后氣體在向上的過程中，由去離子水加熱加濕，后從氣體出口排出。外接溫控器、濕度傳感器分別顯示內(nèi)部溫濕度，并通過溫度的控制來實(shí)現(xiàn)濕度的控制。

1.4外電路負(fù)載

外電路負(fù)載用于測(cè)量燃料電池的工作性能，電子負(fù)載采用的是KUNKIN系列KL284，該負(fù)載使用簡(jiǎn)單、調(diào)整方便，是一款高精度雙通道直流電子負(fù)載，可應(yīng)用于電源適配器、移動(dòng)電源、充電器、蓄電池等產(chǎn)品的測(cè)試和老化，可使用電子負(fù)載搭配臺(tái)架上的電流表、電壓表來對(duì)電池的性能進(jìn)行測(cè)試。

2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的調(diào)試

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建完成后，首先要進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試包括熱敏電阻溫控儀的標(biāo)定，電壓表、電流表的標(biāo)定，氣密性檢測(cè)以及實(shí)驗(yàn)安全性檢驗(yàn)等過程。調(diào)試完成后需試運(yùn)行一段時(shí)間，經(jīng)調(diào)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠后，才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究測(cè)試。

2.1熱敏電阻的標(biāo)定

燃料電池中溫度傳感器采用MarutaP/NNCP15WF104-F03RC型熱敏電阻，將其置于陽極質(zhì)子交換膜上。該熱敏電阻輸入信號(hào)很大，只要分辨率為1Ω的數(shù)字歐姆表，就能達(dá)到0.02℃以上的測(cè)量精度，且引線只需要一般導(dǎo)線即可，長度不受限制，在實(shí)驗(yàn)室中廣泛應(yīng)用[8]。試用前對(duì)該熱敏電阻進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)得其溫度與電阻的關(guān)系如圖3所示。將圖3中曲線輸入FC-308數(shù)顯溫控儀中，溫控儀可測(cè)量熱敏電阻的電阻值，并在顯示屏上顯示其實(shí)時(shí)溫度[9]。

2.2電壓表、電流表檢定

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用DHC3P數(shù)字電壓表、電流表，在其接入電路測(cè)量時(shí)，先對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。由于DHC3P電流表量程為50mA，大大小于電池堆檢測(cè)需要的電流，因此在表頭上接上分流器放大1000倍到50A。將電流表與10Ω純電阻串聯(lián)，接到直流穩(wěn)壓電源上，讀出穩(wěn)壓電源的電壓U，通過I=U/R計(jì)算其電流，與電流表顯示的讀數(shù)比較。電壓表的標(biāo)定方法與電流表相似。實(shí)驗(yàn)測(cè)得其電流表的誤差為±0.01A，電壓表的測(cè)量誤差為±0.01V。

2.3氣密性實(shí)驗(yàn)

測(cè)試系統(tǒng)在搭建過程中，可能會(huì)由于密封措施不當(dāng)?shù)仍颍箽饴分性诠艿馈⒖旖涌凇㈦姶砰y、氣閥等部位發(fā)生泄露，因此，氣密性檢測(cè)必不可少。氣密性檢驗(yàn)采用局部檢測(cè)法，將整個(gè)系統(tǒng)分成若干部分，逐個(gè)檢查。在管路上接入壓力表，并封閉管路，通入一定氣體后使其保持一定壓力。一段時(shí)間后，若壓力不發(fā)生變化，則該段管路氣密性良好；若壓力變小，則這段管路中有漏氣點(diǎn)，可通過涂抹肥皂水的方法進(jìn)一步找出具體位置[10]。局部檢驗(yàn)完畢后將管路連接好，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的氣密性實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)方法與局部檢測(cè)相同，一段時(shí)間后整個(gè)系統(tǒng)管路的壓力值若不發(fā)生變化，則可認(rèn)為測(cè)試系統(tǒng)完全密封。

2.4實(shí)驗(yàn)安全性檢驗(yàn)

因?qū)嶒?yàn)中氫氣屬易燃易爆氣體，泄露具有危險(xiǎn)性，必須進(jìn)行有效檢測(cè)并報(bào)警。因此本系統(tǒng)接入了RBK-6000-6型可燃/有毒氣體報(bào)警器，該報(bào)警器共有三個(gè)探頭，分別置于臺(tái)架中端、上端和實(shí)驗(yàn)室頂部。若氫氣濃度超過設(shè)定值時(shí)，該報(bào)警器會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，并發(fā)出一個(gè)電信號(hào)到氫氣入口的電磁閥切斷氫氣，以確保實(shí)驗(yàn)安全。

由于PEMFC的工作溫度為10~80℃，采用FC-308數(shù)顯溫控儀進(jìn)行溫度檢測(cè)和控制。當(dāng)測(cè)量的溫度不在這個(gè)區(qū)間中時(shí)會(huì)發(fā)出警報(bào)，并給出電信號(hào)由電磁閥切斷氫氣，同時(shí)切斷電子負(fù)載，以保護(hù)燃料電池。

實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)氫氣報(bào)警器和溫控儀這兩個(gè)裝置進(jìn)行檢驗(yàn)，將一定濃度的氫氣通到氫氣傳感器上，觀察電磁閥是否有切斷氣路的效果。同樣將熱敏電阻加熱至70℃以上，觀察是否有切斷氣路與電子負(fù)載效果。若兩個(gè)裝置均有切斷效果，則可認(rèn)為本測(cè)試系統(tǒng)通過實(shí)驗(yàn)安全性檢驗(yàn)。

3測(cè)試系統(tǒng)試運(yùn)行

測(cè)試系統(tǒng)在通過了氣密性實(shí)驗(yàn)以及安全性檢驗(yàn)后，必須要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的試運(yùn)行，觀察該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是否能穩(wěn)定運(yùn)行。運(yùn)行時(shí)，燃料電池兩端不接負(fù)載，先打開空壓機(jī)通空氣，再打開氫氣氣瓶通氫氣，觀察燃料電池兩端的電壓是否穩(wěn)定且達(dá)到預(yù)期值。待電池穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，則可認(rèn)為該系統(tǒng)通過試運(yùn)行，方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)操作流程如圖4所示，電池的啟動(dòng)和關(guān)閉要嚴(yán)格按照流程圖進(jìn)行，首先開啟空氣，而后開啟氫氣，待其系統(tǒng)使用結(jié)束后必須先關(guān)閉氫氣，使用氮?dú)鈱?duì)電池進(jìn)行一定時(shí)間的掃氣，而后才能結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

4結(jié)語

本文設(shè)計(jì)和搭建了PEMFC實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，這套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有較大靈活性，可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)工況等要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和改裝。系統(tǒng)可對(duì)溫度、氣體濃度、壓力和流量等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，通過實(shí)驗(yàn)可得到燃料電池的最佳工作狀態(tài)，如氫氣流量、氫氣尾氣排放頻率和通斷比、氧氣流量、進(jìn)氣溫濕度等。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在使用之前，需通過嚴(yán)格的標(biāo)定、氣密性檢驗(yàn)、安全性檢驗(yàn)，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠。

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