質子交換膜燃料電池探測系統的設計與搭建

泮國榮，胡桂林，項忠曉，李國能，張治國

（浙江科技學院輕工學院，浙江杭州310023）

摘要：為了系統研究質子交換膜燃料電池在不同氫氣流量、氧氣流量和負載等情況下的電池性能及其規律，設計并搭建了用于探測質子交換膜燃料電池性能的試驗系統。解析了整個試驗系統，包括陰陽極供氣系統、加濕器、超溫測試和氫氣測試報警系統等，給出了試驗系統的調試和試驗辦法。搭建的探測系統可依據不同的工況要求進行適當改動來實現大量程的使用，具有良好的靈活性。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)由于具有功率密度高、結構緊湊、能量轉換效率高、低溫啟動性能好、啟動迅速和無污染等優勢[1]，是目前最有希望使用于便攜式電源、小型固定發電站、電動車等交通工具的動力電源，將來方向相當可觀。對于PEMFC來說，要怎么樣能讓PEMFC在最佳工作狀態穩定工作，就需要考慮不同氫氣流量、氫氣尾氣排放頻率、氧氣流量、進氣溫濕度對其工作性能的影響。因此，本研究設計并搭建了PEMFC探測系統，系統的設計參考了國內一些燃料電池探測系統的搭建[2-6]。

1探測系統

圖1為探測系統設備連接圖，系統主要包括陽極供氣排氣系統、陰極供氣排氣系統、電池反應堆溫度測控、氫氣測試報警以及電子負載等部分。本系統中PEMFC的氫氣、氧氣供氣系統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、檢查氣密性，并且具有較大靈活性，可依據不同試驗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

陽極供氣系統主要由氫氣氣瓶、氮氣氣瓶、減壓閥、LZB-10氫氣流量計、加濕器、計時器、電磁閥等部分組成。系統運行時，調節減壓閥至適宜壓力（0.5MPa左右），封閉氮氣進氣閥，打開氫氣氣瓶，通過調節流量計旋鈕使氫氣流量（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。計時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一段時間而后排出，這樣能大大提高氫氣的利用率，此外，使燃料電池流道內的氫氣保持一定的壓力，讓氫氣更有效進入到催化反應層。

試驗完成后，切斷負載，將氫氣氣瓶及進氣閥封閉，調節計時器使電磁閥處于常開狀態。試驗結束后，燃料電池中仍有殘留氫氣，為保護燃料電池和試驗室安全，采用氮氣進行吹掃，使氫氣完全排出燃料電池，吹掃至電壓表顯示為0V后，封閉氮氣氣瓶。

1.2陰極供氣及排放系統

陰極使用空氣或氧氣作為反應氣體，空氣通過時空氣中的氧氣與催化劑層反應。此外，空氣流通可以對燃料電池起到冷卻的作用。為了讓空氣穩定通過電池，本系統將空氣進氣管分成兩道平行吹掃，使空氣能平均吹掃整個電池，避免局部反應不完全、局部溫度過高而降低電池效率。燃料電池陰極供氣系統主要由空壓機、LZB-15流量計、褶型空氣濾清器等部分構成。系統運行時，打開空壓機，待空壓機達到一定壓力時，打開空氣進氣閥，調節流量計旋鈕使空氣流量穩定到一定值(4.45m3/h)，在其通過褶型空氣濾清器濾清后吹入燃料電池，該空氣濾清器對空氣的壓力損失非常小，試驗中可以忽略不計[7]。試驗結束后，應先封閉氫氣氣瓶，讓空氣對燃料電池冷卻一段時間后再封閉進氣閥、空壓機。

1.3加濕器設計

試驗系統的加濕器是自行設計的，基于冒泡法工作，其工作原理和系統設計如圖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，氣體從進氣口進入，進入到加濕器底部。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部溫濕度，并通過溫度的控制來實現濕度的控制。

1.4外電路負載

外電路負載用于測量燃料電池的工作性能，電子負載采用的是KUNKIN系列KL284，該負載使用簡單、調整方便，是一款高精度雙通道直流電子負載，可使用于電源適配器、移動電源、充電器、蓄電池等產品的探測和老化，可使用電子負載搭配臺架上的電流表、電壓表來對電池的性能進行探測。

2試驗系統的調試

試驗系統搭建完成后，首先要進行調試，調試包括熱敏電阻溫控儀的標定，電壓表、電流表的標定，氣密性測試以及試驗安全性檢驗等過程。調試完成后需試運行一段時間，經調試系統運行穩定可靠后，才能進行試驗研究探測。

2.1熱敏電阻的標定

燃料電池中溫度傳感器采用MarutaP/NNCP15WF104-F03RC型熱敏電阻，將其置于陽極質子交換膜上。該熱敏電阻輸入信號很大，只要辨別率為1Ω的數字歐姆表，就能達到0.02℃以上的測量精度，且引線只需要一般導線即可，長度不受限制，在試驗室中廣泛使用[8]。試用前對該熱敏電阻進行標定，測得其溫度與電阻的關系如圖3所示。將圖3中曲線輸入FC-308數顯溫控儀中，溫控儀可測量熱敏電阻的電阻值，并在顯示屏上顯示其實時溫度[9]。

2.2電壓表、電流表檢定

本試驗系統使用DHC3P數字電壓表、電流表，在其接入電路測量時，先對其進行標定。由于DHC3P電流表量程為50mA，大大小于電池堆測試需要的電流，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，接到直流穩壓電源上，讀出穩壓電源的電壓U，通過I=U/R計算其電流，與電流表顯示的讀數比較。電壓表的標定辦法與電流表相近。試驗測得其電流表的誤差為±0.01A，電壓表的測量誤差為±0.01V。

2.3氣密性試驗

探測系統在搭建過程中，可能會由于密封措施不當等原由，使氣路中在管道、快接口、電磁閥、氣閥等部位發生泄露，因此，氣密性測試必不可少。氣密性檢驗采用局部測試法，將整個系統分成若干部分，逐個檢查。在管路上接入壓力表，并關閉管路，通入一定氣體后使其保持一定壓力。一段時間后，若壓力不發生變化，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，可通過涂抹肥皂水的辦法進一步找出詳盡位置[10]。局部檢驗完畢后將管路連接好，進行整個系統的氣密性試驗，測試辦法與局部測試相同，一段時間后整個系統管路的壓力值若不發生變化，則可認為探測系統完全密封。

2.4試驗安全性檢驗

因試驗中氫氣屬易燃易爆氣體，泄露具有危險性，非得進行有效測試并報警。因此本系統接入了RBK-6000-6型可燃/有毒氣體報警器，該報警器共有三個探頭，分別置于臺架中端、上端和試驗室頂部。若氫氣濃度超過設定值時，該報警器會發出警報聲，并發出一個電信號到氫氣入口的電磁閥切斷氫氣，以確保試驗安全。

由于PEMFC的工作溫度為10~80℃，采用FC-308數顯溫控儀進行溫度測試和控制。當測量的溫度不在這個區間中時會發出警報，并給出電信號由電磁閥切斷氫氣，同時切斷電子負載，以保護燃料電池。

試驗前需要對氫氣報警器和溫控儀這兩個裝置進行檢驗，將一定濃度的氫氣通到氫氣傳感器上，觀察電磁閥是不是有切斷氣路的效果。同樣將熱敏電阻加熱至70℃以上，觀察是不是有切斷氣路與電子負載效果。若兩個裝置均有切斷效果，則可認為本探測系統通過試驗安全性檢驗。

3探測系統試運行

探測系統在通過了氣密性試驗以及安全性檢驗后，非得要進行試驗系統的試運行，觀察該試驗系統是不是能穩定運行。運行時，燃料電池兩端不接負載，先打開空壓機通空氣，再打開氫氣氣瓶通氫氣，觀察燃料電池兩端的電壓是不是穩定且達到預期值。待電池穩定運行一段時間后，則可認為該系統通過試運行，方可進行試驗。詳盡試驗操作流程如圖4所示，電池的啟動和封閉要嚴格按照流程圖進行，首先開啟空氣，而后開啟氫氣，待其系統使用結束后非得先封閉氫氣，使用氮氣對電池進行一定時間的掃氣，而后才能結束試驗。

4結語

本文設計和搭建了PEMFC試驗探測系統，這套試驗系統具有較大靈活性，可依據不同的試驗工況等要求，對系統進行調整和改裝。系統可對溫度、氣體濃度、壓力和流量等運行參數進行測試和控制，通過試驗可得到燃料電池的最佳工作狀態，如氫氣流量、氫氣尾氣排放頻率和通斷比、氧氣流量、進氣溫濕度等。試驗系統在使用之前，需通過嚴格的標定、氣密性檢驗、安全性檢驗，保證系統運行安全穩定可靠。

參考文獻：

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