PEMFC电堆动态工况响应性能试验

刘鹏程，许思传

（同济大学汽车学院,上海201804）

质子交换膜燃料电池（proton exchangemembrane fuel cell,PEMFC）具有能量转化效率高、能量密度大、工作温度低、零排放等优点，其在车辆动力系统中显示出强大的潜力[1-2]。然而，车用燃料电池系统经常处于动态运行情形下，频繁启停、怠速、变载和高负荷都对燃料电池的寿命有很大影响,其中频繁变载是车用工况中对燃料电池耐久性影响最大的因素，也是导致燃料电池性能衰减的主要原因之一，达到56.5%[3]。故动态响应能力是影响车用PEMFC寿命的关键因素之一，研究PEMFC运行过程中的动态响应特性对于延长车用燃料电池系统的耐久性和可靠性具有重要意义[4-5]。

影响PEMFC动态响应过程的因素主要有电化学双层电荷传递、气体在流道和扩散层的传递以及膜的水合/脱水过程。其中，由于电化学双层放电速度快，可以忽略这一过程，气体扩散传递和膜水合/脱水的时间常数分别为0.1～1s和25s[6]。由于系统延迟的影响，车用PEMFC电堆的时间常数要长得多，同时电堆温度的变化也影响电堆的动态响应过程[7]。大量学者通过建立动态模型和设计试验对燃料电池动态变载做了深入的研究，车用燃料电池的动态响应过程非常复杂，主要受燃料电池结构和材料[8-13]、运行参数[14-21]和系统控制[22-28]等方面的影响。

燃料电池结构和材料的不同会造成动态响应能力存在很大的差异，提升材料的性能和优化燃料电池内部结构有利于改善动态响应性能。Zhang等[8]通过试验探究发现高温质子交换膜燃料电池动态性能受聚苯并咪唑（PBI）膜中水合/脱水过程的影响。……