质子交换膜燃料电池测试系统的设计与搭建

泮国荣，胡桂林，项忠晓，李国能，张治国

（浙江科技学院轻工学院，浙江杭州310023）

摘要：为了系统研究质子交换膜燃料电池在不同氢气流量、氧气流量和负载等情况下的电池性能及其规律，设计并搭建了用于测试质子交换膜燃料电池性能的实验系统。介绍了整个实验系统，包括阴阳极供气系统、加湿器、超温检测和氢气检测报警系统等，给出了实验系统的调试和实验方法。搭建的测试系统可根据不同的工况要求进行适当改动来实现大量程的应用，具有良好的灵活性。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有功率密度高、结构紧凑、能量转换效率高、低温启动性能好、启动迅速和无污染等优点[1]，是目前最有希望应用于便携式电源、小型固定发电站、电动汽车等交通工具的动力电源，市场前景相当可观。对于PEMFC来说，如何能让PEMFC在最佳工作状态稳定工作，就需要考虑不同氢气流量、氢气尾气排放频率、氧气流量、进气温湿度对其工作性能的影响。因此，本研究设计并搭建了PEMFC测试系统，系统的设计参考了国内一些燃料电池测试系统的搭建[2-6]。

1测试系统

图1为测试系统设备连接图，系统主要包括阳极供气排气系统、阴极供气排气系统、电池反应堆温度测控、氢气检测报警以及电子负载等部分。本系统中PEMFC的氢气、氧气供气系统的气路均由聚氨酯气管、快接口连接而成，具有密封性好，安装拆卸快速方便，易于后期的改动、检查气密性，并且具有较大灵活性，可根据不同实验要求改变其气路满足变化的流量等。

1.1阳极供气及排放系统

阳极供气系统主要由氢气气瓶、氮气气瓶、减压阀、LZB-10氢气流量计、加湿器、计时器、电磁阀等部分组成。系统运行时，调节减压阀至合适压力（0.5MPa左右），关闭氮气进气阀，打开氢气气瓶，通过调节流量计旋钮使氢气流量（0.4m3/h左右）适中。氢气通过加湿器加湿之后，以一定的湿度、流量流向PEMFC的阳极。计时器和防暴电磁阀组合成脉冲放气控制器，以一定频率打开、闭合电磁阀，使氢气能在燃料电池中反应一段时间而后排出，这样能大大提高氢气的利用率，此外，使燃料电池流道内的氢气保持一定的压力，让氢气更有效进入到催化反应层。

实验完成后，切断负载，将氢气气瓶及进气阀关闭，调节计时器使电磁阀处于常开状态。实验结束后，燃料电池中仍有残留氢气，为保护燃料电池和实验室安全，采用氮气进行吹扫，使氢气完全排出燃料电池，吹扫至电压表显示为0V后，关闭氮气气瓶。

1.2阴极供气及排放系统

阴极使用空气或氧气作为反应气体，空气通过时空气中的氧气与催化剂层反应。此外，空气流通可以对燃料电池起到冷却的作用。为了让空气稳定通过电池，本系统将空气进气管分成两道平行吹扫，使空气能均匀吹扫整个电池，避免局部反应不完全、局部温度过高而降低电池效率。燃料电池阴极供气系统主要由空压机、LZB-15流量计、褶型空气滤清器等部分构成。系统运行时，打开空压机，待空压机达到一定压力时，打开空气进气阀，调节流量计旋钮使空气流量稳定到一定值(4.45m3/h)，在其通过褶型空气滤清器滤清后吹入燃料电池，该空气滤清器对空气的压力损失非常小，实验中可以忽略不计[7]。实验结束后，应先关闭氢气气瓶，让空气对燃料电池冷却一段时间后再关闭进气阀、空压机。

1.3加湿器设计

实验系统的加湿器是自行设计的，基于冒泡法工作，其工作原理和系统设计如图2所示，在注水孔注入去离子水，将加湿器连接电源，电热带工作，气体从进气口进入，进入到加湿器底部。而后气体在向上的过程中，由去离子水加热加湿，后从气体出口排出。外接温控器、湿度传感器分别显示内部温湿度，并通过温度的控制来实现湿度的控制。

1.4外电路负载

外电路负载用于测量燃料电池的工作性能，电子负载采用的是KUNKIN系列KL284，该负载使用简单、调整方便，是一款高精度双通道直流电子负载，可应用于电源适配器、移动电源、充电器、蓄电池等产品的测试和老化，可使用电子负载搭配台架上的电流表、电压表来对电池的性能进行测试。

2实验系统的调试

实验系统搭建完成后，首先要进行调试，调试包括热敏电阻温控仪的标定，电压表、电流表的标定，气密性检测以及实验安全性检验等过程。调试完成后需试运行一段时间，经调试系统运行稳定可靠后，才能进行实验研究测试。

2.1热敏电阻的标定

燃料电池中温度传感器采用MarutaP/NNCP15WF104-F03RC型热敏电阻，将其置于阳极质子交换膜上。该热敏电阻输入信号很大，只要分辨率为1Ω的数字欧姆表，就能达到0.02℃以上的测量精度，且引线只需要一般导线即可，长度不受限制，在实验室中广泛应用[8]。试用前对该热敏电阻进行标定，测得其温度与电阻的关系如图3所示。将图3中曲线输入FC-308数显温控仪中，温控仪可测量热敏电阻的电阻值，并在显示屏上显示其实时温度[9]。

2.2电压表、电流表检定

本实验系统使用DHC3P数字电压表、电流表，在其接入电路测量时，先对其进行标定。由于DHC3P电流表量程为50mA，大大小于电池堆检测需要的电流，因此在表头上接上分流器放大1000倍到50A。将电流表与10Ω纯电阻串联，接到直流稳压电源上，读出稳压电源的电压U，通过I=U/R计算其电流，与电流表显示的读数比较。电压表的标定方法与电流表相似。实验测得其电流表的误差为±0.01A，电压表的测量误差为±0.01V。

2.3气密性实验

测试系统在搭建过程中，可能会由于密封措施不当等原因，使气路中在管道、快接口、电磁阀、气阀等部位发生泄露，因此，气密性检测必不可少。气密性检验采用局部检测法，将整个系统分成若干部分，逐个检查。在管路上接入压力表，并封闭管路，通入一定气体后使其保持一定压力。一段时间后，若压力不发生变化，则该段管路气密性良好；若压力变小，则这段管路中有漏气点，可通过涂抹肥皂水的方法进一步找出具体位置[10]。局部检验完毕后将管路连接好，进行整个系统的气密性实验，检测方法与局部检测相同，一段时间后整个系统管路的压力值若不发生变化，则可认为测试系统完全密封。

2.4实验安全性检验

因实验中氢气属易燃易爆气体，泄露具有危险性，必须进行有效检测并报警。因此本系统接入了RBK-6000-6型可燃/有毒气体报警器，该报警器共有三个探头，分别置于台架中端、上端和实验室顶部。若氢气浓度超过设定值时，该报警器会发出警报声，并发出一个电信号到氢气入口的电磁阀切断氢气，以确保实验安全。

由于PEMFC的工作温度为10~80℃，采用FC-308数显温控仪进行温度检测和控制。当测量的温度不在这个区间中时会发出警报，并给出电信号由电磁阀切断氢气，同时切断电子负载，以保护燃料电池。

实验前需要对氢气报警器和温控仪这两个装置进行检验，将一定浓度的氢气通到氢气传感器上，观察电磁阀是否有切断气路的效果。同样将热敏电阻加热至70℃以上，观察是否有切断气路与电子负载效果。若两个装置均有切断效果，则可认为本测试系统通过实验安全性检验。

3测试系统试运行

测试系统在通过了气密性实验以及安全性检验后，必须要进行实验系统的试运行，观察该实验系统是否能稳定运行。运行时，燃料电池两端不接负载，先打开空压机通空气，再打开氢气气瓶通氢气，观察燃料电池两端的电压是否稳定且达到预期值。待电池稳定运行一段时间后，则可认为该系统通过试运行，方可进行实验。具体实验操作流程如图4所示，电池的启动和关闭要严格按照流程图进行，首先开启空气，而后开启氢气，待其系统使用结束后必须先关闭氢气，使用氮气对电池进行一定时间的扫气，而后才能结束实验。

4结语

本文设计和搭建了PEMFC实验测试系统，这套实验系统具有较大灵活性，可根据不同的实验工况等要求，对系统进行调整和改装。系统可对温度、气体浓度、压力和流量等运行参数进行检测和控制，通过实验可得到燃料电池的最佳工作状态，如氢气流量、氢气尾气排放频率和通断比、氧气流量、进气温湿度等。实验系统在使用之前，需通过严格的标定、气密性检验、安全性检验，保证系统运行安全稳定可靠。

参考文献：

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[2]唐辉，师奕兵，李焱骏.一种PEM燃料电池测试系统的设计[J].计算机与信息技术，2006(10)：1-3.

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[4]李小毅.燃料电池发动机实验室测试系统的设计[D].武汉：武汉理工大学，2005.

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