质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池（PEMFC）电堆的动态响应特性对其耐久性和可靠性具有重要影响。本研究通过实验考察了PEMFC电堆在动态工况下的输出性能、单电池电压均衡性变化和动态响应特性。实验结果显示，在整整个动态运行工况下，电堆运行稳定，进出口冷却液温差始终小于5℃。电流阶跃变化时电堆电压均衡性出现突增变化，随着电流增大，稳态时电堆均衡性逐渐变差。在超负荷运行工况下，电堆各单电池之间输出差异变大，均衡性持续恶化。尽管电压在10s内可达到相对稳定的状态，但为保证电堆的长期稳定运行和控制优化，对这些动态特性进行深入研究仍具有重要意义。

图1：燃料电池系统测试台架原理图

图2：动态工况负载电流图

图3：电堆电压和功率随动态工况的运行变化图

图4展示了单电池在不同工况下的电压变化情况。特别是在超负荷运行状态下，单电池之间电压波动更加明显。特别是第一片单电池在大电流情况下出现水淹状况，导致气体传质受阻，供气不足，进而使得单电池性能输出下降。为避免此现象，需对气体分布进行优化。

图5描绘了动态工况下气体供应和电堆进出口冷却液温度情况。通过控制氢气压力、空气进气流量和湿度以及电堆冷却液温度，确保了电堆在动态工况下的稳定运行。

图6和图7进一步揭示了电流阶跃变化时电堆的均衡性变化及单电池电压的响应情况。在超负荷运行情形下，电堆的均衡性逐渐变差，单电池之间出现巨大的不一致性。在变载过程中需特别注意气体供应的充足性。

图8展示了不同电流值下的单电池电压分布。随着电流的增加，单电池电压差异系数增大，即单电池电压均衡性下降。这主要是由于电堆进气结构导致每片单电池气体流量不均所造成。

图9和图10分别展示了电堆电压的最大上调和下冲值以及动态响应过程中的电压波动率。结果表明，尽管存在电压波动，但电堆在10s内能使输出电压达到一个相对稳定的状态，显示出良好的动态稳定性。

图11则显示了燃料电池动态响应过程中的动态阻抗变化。在整个动态过程中，动态阻抗都处于降低趋势，说明电堆电压处于向稳态变化的过程中。