质子交换膜燃料电池控制器的设计
质子交换膜燃料电池控制策略研究
质子交换膜燃料电池控制策略研究质子交换膜燃料电池与其他种类电池的差别就是，质子交换膜燃料电池的出现以使用清洁、对环境无污染、效率高为特点，是一种很有价值的发明，就我国目前的情况来看，质子交换膜燃料电池在我国的各个领域中已经被接纳。
在进行研究质子交换膜燃料电池的最终目的就是为了让质子交换膜燃料电池的效率更高而且更加的稳定。
这就需要对质子交换膜燃料电池的性质进行研究，让质子交换膜燃料电池的特性可以控制。
在本文中进行了质子交换膜燃料电池自身特点以及质子交换膜燃料电池的分类的介绍，也简述了质子交换膜燃料电池电池控制策略。
标签：燃料电池;质子交换膜;策略与研究随着世界经济的共同发展，在发展中已经产生了对环境的严重的破坏，这就让全世界开始共同对环境的保护、资源的高效率的利用进行了研究。
而可持续发展与绿色环保节能减排也已经成为了当下的主流话题。
这就让经济的发展在向可持续发展的方向进行着，在我国虽然已经逐渐开始了可再生能源与清洁能源的使用，但这种改变对于我国对石油、煤矿、天然气等不可再生能源的使用情况并没有做出多大的改善，虽然我国的资源丰富但由于人口众多，但由于人均的资源量很少，针对于现在的不可再生能源的使用速度，到本世纪末这些不可再生能源就会逐渐地面临枯竭的现象。
而燃料电池的发电技术的出现，由于其优越的自身特性，让其可以成为我国改变现状的方式之一。
一、燃料电池特点随着科技的逐渐发展，出现了与化学电池不同工作原理的燃料电池。
燃料电池的出现后产生了很大的影响，原因就是燃料电池的燃料与电能的转化效率是极其优秀的，对于能量之间的相互转换损失很小。
而且还能对自身产生的热量进行二次的利用，当开始电能的转化时，对于环境的污染几乎没有，也不会产生大量的垃圾，在整个生产的过程中水是唯一的产物。
在燃料电池开始运行时，对于电能的输出很好，而且燃料电池在运行的过程中只有很小的声音，本身可以长久的使用，稳定性极佳。
在燃料电池运行的过程中，内部没有机械构件，只有水与其他在转化。
质子交换膜燃料电池模拟器的建模与控制
Ｊ ＮＧ Ｚ ｉｉｇ一 Ｈ Ｎ Ｗｅ— ｎ Ｑ ｈ－ａ Ｕ ｉ Ｉ Ａ ｈ—ｎ ，Ｃ Ｅ ｉ ｏ ｇ， Ｕ Ｚ ｉｉｎ，Ｇ Ｏ Ａ ｌ ｒ ｊ
（．ｏｔｗ ｓ Ｊ ｏ ｎ ｎｖｒｉ ， ｈ ｎｄ １０ ｌ Ｃ ｉ ； ． ｕｈ ｅｔ ｅｒｌ ｍ Ｕ ｉ ｒｔ， ｎ ｕ６５ ０ ，Ｃ ｉａ １ ｕ ｅｔ ｉ ｔ ｇＵ ｉ ｓｙ Ｃ ｅ ｇｕ６ ０ ３ ， ｈｎ ２Ｓ ｔ ｓＰ ｔ ｅ ｎ ｅｓｙ Ｘｉｄ １００ ｈｎ ； Ｓ ｈ ａ ｏ ｅ ｔ ａ ｏ ｗ ｏｕ ｖ ｉ ３ ｅ ｉ ａｔ ｇＵ ｉ ｒｔ， ｅ ｉｇ１０４ ， ｈｎ ） ． ｒｎ Ｊ ｏ ｎ ｎ ｅｓｙ Ｂ ｉｎ ０ ４ Ｃ ｉａ Ｂ ｇｉ ｏ ｖ ｉ ｊ ０
第４ ４卷 第 ５期
２ １ 年 ５月 ００
电力 电子 技 术
Ｐｏ ｒＥｌ ｃｒ ｎｉｓ ｗｅ ｅ ｔｏ ｃ
Ｖｏ．４ ．Ｎｏ５ １ ４ ． Ｍａ ２ ０ ｙ， ０１
质子交换膜燃料 电池模拟器的建模与控制
姜 志玲 ，陈维荣 ， 志 坚 ，郭 爱 屈
（． 南 交 通 大 学 ，四川 成 都 １ 西 ６ ０ ３ ； ． 南 石 油 大 学 ，四川 新 都 １０ １ ２西 ６ ５０ ； ． 京 交通 大 学 ，北 京 １０ ０ ３北 １０ ４ ） ０ ０４
真器 的输出特性与实际燃料 电池 的输 出特性 非常逼近 ， 用其取代燃料 电池进行优化控制实验是可行 的， 为进行燃料
电池 供 电系 统 的 能量 管 理 、 制和 优 化 提 供 了有 利 帮 助 。 控
关 键 词 ： 子 交 换 膜 燃 料 电池 ； 真 器 ； 整 器 ； 换 器 ； 制 器 质 仿 调 变 控
中 图分 类 号 ：Ｍ９ １ Ｔ １ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ０ １０ （ ００ ０ — ０ ３ ０ １０ — ０ Ｘ ２ １ ）５ ０ １－ ２
质子交换膜燃料电池的冷却水电路建模和温度的模糊控制
质子交换膜燃料电池的冷却水电路建模和温度的模糊控制摘要质子交换膜燃料电池（PEMFC）的安全和高效运营的必须要靠效的温度管理是，质子交换燃料电池（PEMFC）的。
循环冷却水一般用于消除燃料电池的电功率超过5千瓦多余的热量。
为了使得燃料电池保持工作在理想的温度范围，本文提出一种冷却水循环冷却系统的建模方法及模糊温度控制的方案。
首先，一个冷却水循环系统数学模型的开发，其中包括燃料电池热模型，水库模型，水泵模型，旁通阀的模型，热换热器模型和燃料电池电化学模型。
其次，按照既定的设计模型，控制经验规则而设计的增量模糊控制与集成技术。
而燃料电池的温度和循环冷却水入口通过调节温度控制循环冷却水流量和旁通阀因子分别。
最后，所建立的模型和模糊控制器进行了仿真和在Matlab软件分析，仿真结果表明，增量与积分模糊控制器能有效地将燃料电池冷却水入口温度控制在理想的工作范围。
此外，建模和控制过程十分简洁，并且可以很容易地应用在燃料电池在不同功率等级的实时温度控制中。
关键词：质子交换膜燃料电池；水冷；数学建模；温度控制；模糊控制；1、引言质子交换膜燃料电池（PEMFC）的是一种使用燃料电池的质子导电聚合物的膜作为电解质的质子，而不是气体。
作为一种清洁能源转换技术，燃料电池的高功率密度，低操作温度，快速启动能力和寿命长的特点吸引了外界更多的关注。
因为燃料电池的性能和可靠性在很大程度上取决于其工作温度，从40到100不等。
当燃料电池在产生电能的过程中，大量热能将随之产生。
在一般情况下，温度过低将导致电化学反应反应速率减慢，降低燃料电池的性能。
另一方面，温度上升可提高电解液中的质子膜的运动速度和电化学反应速度，从而提高了燃料电池的电压和功率。
然而，温度过高会增加水蒸汽部分的压力，影响分子运动而阻碍反应的进行，降低了电极反应催化层的厚度，极大地影响燃料电池的性能，并且使脱水更加严重。
此外，当温度超过100℃的安全温度时，氢原子和阴极交换质子的分子可能会被击穿，甚至引起爆炸事故。
质子交换膜燃料电池的设计与性能优化研究
质子交换膜燃料电池的设计与性能优化研究随着全球环境问题的日益凸显，研究清洁能源技术已经成为了全球科技的热点之一。
在众多清洁能源技术中，燃料电池以其优异的性能和环保的特点备受关注。
质子交换膜燃料电池作为其中的一种，具有高能效、低污染、无噪音、适应性强、生产成本低等诸多优点，当前正逐渐成为一种广泛的可再生能源。
质子交换膜燃料电池是利用氢气与氧气反应的能源转化装置。
该技术的核心是质子交换膜，它将质子从负极转移到正极。
质子交换膜燃料电池的最大特点就是其能够将化学能转换为电能，且在此过程中产生的仅为热和水，无污染物、无有害物质的排放。
虽然这种燃料电池技术越来越被人们所认可，但其中仍然存在着一些问题，例如低效率、高成本、短寿命以及耐久性等方面都需要进行优化和改进。
质子交换膜燃料电池的设计和性能优化是一个重要的研究领域。
下面将从质子交换膜、电极和催化剂等方面进行分析和讨论。
质子交换膜质子交换膜一般由三个主要组分组成，即膜基材、离子交换基和界面催化剂。
其中离子交换基为质子转换成对流移进出膜提供通道，是整个质子交换膜的关键所在。
离子交换基主要有氟磺酸、氟硼酸、氟磷酸等。
氟磺酸的交换组基团含有一定数量的氟离子，其孪生键对阻碍离子的传导，从而影响了质子电导率。
氟硼酸的团基中的醇基一定程度上阻碍了离子传递。
氟磷酸具有很高的质子电导率，适用于高温燃料电池。
膜基材的选择对电池性能也有较大的影响。
目前应用较多的基材为聚四氟乙烯。
其优点在于在高温条件下稳定性高、耐久性强，不易受到化学腐蚀；其缺点则在于较难达到高容积比、低电阻和低漏电，同时也会对电极反应有一定影响。
电极电极是质子交换膜燃料电池中反应的场所，其表面的分布状态和形状能够直接影响反应的速率与效率。
为了提高电极性能，常常在电极表面涂上催化剂。
这样一来，由于催化剂能够加速电极反应的进行，在不增加电极面积的情况下提高反应速率，从而增强了电极的效率。
合理选择电极催化剂对于电极性能有一定的影响。
质子交换膜燃料电池的连续模型预测控制器的设计
Hale Waihona Puke 犆狅狀狋犻狀狌狅狌狊犕狅犱犲犾犘狉犲犱犻犮狋犻狏犲犆狅狀狋狉狅犾犾犲狉犳狅狉犪犘狉狅狋狅狀 犈狓犮犺犪狀犵犲犕犲犿犫狉犪狀犲犉狌犲犾犆犲犾犾
ＺｈａｎｇＪｕｎ，ＺｈａｎｇＬｉｎ，Ｙｕ Ｍｅｉｗｅｎ
（ＺｈｅｊｉａｎｇＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＪｏｉｎｔＨｏｓｐｉｔａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃｉｎｅａｎｄ Ｗｅｓｔｅｒｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１０００３，Ｃｈｉｎａ） 犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｕｅｌｃｅｌｌ（ＰＥＭＦＣ）ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅｍａｔｈｅ ｍａｔｉｃａｌｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆＰＥＭＦＣ ｗａｓｇｉｖｅｎａｎｄｉｔｓｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎ Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇａｆｕｅｌｃｅｌｌ ｓｙｓｔｅｍｉｎｃｏｒｒｅｃｔｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｒｅｑｕｉｒｅｓｇｏｏｄｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｒｏｌ．Ｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｍｏｄｅｌｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＣＭＰＣ）ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ ｕｓｉｎｇＬａｇｕｅｒｒｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓ；ｂｅｓｉｄｅｓ，ａｓｉｍｐｌｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙｕｓｉｎｇｉｎｄｅｘｗｅｉｇｈｔｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｗｏｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔ ｅｇｉｅｓａｎｄｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＤＭＰＣ ｗｅｒｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｏｆｔｈｅＰＥＭＦＣｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ａｎｄｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙｏｆｔｈｅＣＭＰＣａｌｇｏｒｉｔｈｍ． 犓犲狔狑狅狉犱狊：ＰＥＭＦＣ；ＣＭＰＣ；Ｌａｇｕｅｒｒｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓ；ｉｎｄｅｘｗｅｉｇｈｔｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎ
质子交换膜燃料电池的优化设计与性能改进策略
质子交换膜燃料电池的优化设计与性能改进策略质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）是一种高效、清洁的能源转换设备，具有广泛的应用前景。
然而，目前存在的一些问题，如催化剂的高成本、氧化还原反应的缓慢反应速率以及燃料和氧化剂的传输限制等，限制了其性能的提升。
因此，为了进一步提高质子交换膜燃料电池的性能，涉及到优化设计与性能改进的策略。
本文将重点讨论其中几个关键策略。
首先，在质子交换膜燃料电池的优化设计中，提高催化剂的活性与稳定性是非常重要的。
目前常用的催化剂是铂基和铂合金催化剂，但由于铂的高成本和稀缺性，使得质子交换膜燃料电池的商业化受到限制。
因此，寻找代替铂催化剂或减少铂的使用量是当前的研究重点。
例如，金属非贵金属催化剂（Non-preciousMetal Catalysts, NPMC）和过渡金属催化剂等，已被广泛研究和应用。
此外，利用纳米材料改进催化剂的活性也是一种有效的方法。
通过提高催化剂的活性和稳定性，可以提高质子交换膜燃料电池的性能。
其次，在优化设计中，改进质子交换膜的传输性能是非常重要的。
传统的质子交换膜如质子交换膜Nafion，虽然具有较好的质子传导性能，但对于质子交换膜燃料电池的商业化推广来说，其高成本和低耐久性是一个限制因素。
因此，研究开发具有高导电性、低渗透性和良好稳定性的新型质子交换膜是一个重要的方向。
例如，对于无机质子交换膜而言，多孔陶瓷材料和磷酸盐盐类材料具有良好的质子传导性能和化学稳定性；而对于高分子质子交换膜而言，聚合物材料的改性和复合材料的制备对质子交换膜的传输性能有着重要影响。
因此，通过优化质子交换膜的材料和结构设计，可以改善其传输性能，进而提高质子交换膜燃料电池的性能。
另外，改进氧化剂的传输性能也是提高质子交换膜燃料电池性能的重要策略之一。
在质子交换膜燃料电池中，氧化剂主要是空气。
然而，由于氧气的低扩散系数和高活度，使得质子交换膜燃料电池在氧化剂侧出现传输限制。
质子交换膜燃料电池建模与供气系统控制方法的研究
质子交换膜燃料电池建模与供气系统控制方法的研究质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)是一种利用燃料和氧化剂的电化学反应生成电能的能量转化装置。
具有能量密度大、工作效率高、工作温度低、响应快、运行稳定等显著优点,适用于移动电源、新能源汽车以及分布式发电,具有很大的发展潜力。
本文主要针对PEMFC系统整体建模、系统供气控制方法和PEMFC监控系统的设计展开研究,主要包括:(1)根据PEMFC的基本结构和工作原理,建立PEMFC电压子系统、阴极空气供给系统子系统、阳极氢气供给子系统、加湿器子系统、冷却子系统、空压机以及整个PEMFC系统的数学模型,并且借助Matlab/Simulink搭建PEMFC系统仿真平台。
(2)为了使得PEMFC系统输出更多的净功率,对PEMFC 供气系统控制方法展开研究。
分别采用PID控制器和模糊控制器来控制空压机电压来调节阴极内OER,通过分析仿真结果,两种控制方法都能使得系统OER维持在理想值附近,但是PID 控制器存在着响应不够及时、空压机工作电压波动大、系统输出净功率不稳定等问题;模糊控制器响应及时、系统输出净功率稳定,但是需求较准确的专家经验来完善模糊控制器规则库,专家经验是否准确直接影响模糊控制器的控制精度。
(3)选择模糊控制器来控制空压机工作电压。
针对专家经验不够准确这一问题,本文采用粒子群算法来分别优化模糊规则库的规则和规则权重。
仿真结果表明优化后的模糊控制器控制精度大幅度提升,OER曲线近似与理想值曲线重合,空压机工作电压波动明显减少,系统输出净功率有所提高。
(4)为了避免质子交换膜两侧压力差对交换膜产生弯曲应力作用,采用PID控制器来调节阳极氢气的流量。
仿真结果表明该控制方法使得阳极和阴极之间的压力差几乎不存在,过氢比(Hydrogen Excess Ratio,HER)接近1,也保证流入阳极的氢气被电化学反应完全消耗。
质子交换膜燃料电池堆输出电流调节装置设计
质子交换膜燃料电池堆输出电流调节装置设计摘要：针对车用质子交换膜燃料电池关键部件膜电极的劣化模式，提出了一种基于2个电流调节器协同工作的燃料电池堆输出电流控制方法，采用由燃料电池主控单元根据车辆的运行工况和电池堆的运行状态，协同控制2个电流调节器的电流方向和平均电流值，实时优化调整燃料电池堆输出电流和动力电池组充放电电流的配比，能够有效解决膜电极高电位和电位循环的问题。
质子交换膜燃料电池具有操作温度低、比能量高、无污染、启动速度快等特点，被认为是电动汽车、固定发电站等的首选能源[1]，除了成本因素之外，燃料电池堆的寿命是制约燃料电池发动机汽车商业化的重要影响因素[2]。
通过质子交换膜燃料电池汽车的示范运行，发现车用燃料电池堆关键部件膜电极的劣化模式主要有以下四种[3]：（1）频繁地启动停止引起的质子交换膜电极高电位造成催化剂碳载体的腐蚀；（2）反复加减速引起的质子交换膜电极电位循环造成催化剂铂颗粒粗大化；（3）低负荷运行导致质子交换膜分解；（4）低温循环所伴随的胀缩造成质子交换膜电极机械损伤。
为了解决上述劣化模式（1）和模式（2）中的膜电极高电位和膜电极电位循环的问题，本文设计了一种用于质子交换膜燃料电池堆的电流调节装置，采用在燃料电池堆与电机驱动器直流母线之间、动力电池组与电机驱动器直流母线之间分别加入电流调节器的控制方法，由燃料电池主控单元同时协同控制2个电流调节器的运行状态，根据车辆的实际运行工况和燃料电池堆的实际运行状态，实时优化调整燃料电池堆输出电流和动力电池组充放电电流的配比，以达到使燃料电池堆关键部件膜电极单体工作电压能够平衡在最佳工作点附近的控制目标，从而缓解由于车辆频繁启停和反复加减速所引起的膜电极性能衰减，提升车用工况条件下质子交换膜燃料电池堆的工作寿命。
1系统构成本文设计的质子交换膜燃料电池堆电流调节装置的系统构成如图1所示。
如图1所示，质子交换膜燃料电池堆主控单元作为电流调节装置的主控制器，燃料电池主控单元根据电机驱动器的输入电流和燃料电池堆的温度、压力传感器信号，计算燃料电池堆输出电流和动力电池组充放电电流数值，通过在燃料电池堆与电机驱动器直流母线之间加入电流调节器1，在锂离子动力电池组与电机驱动器直流母线之间分别加入电流调节器2，其中，电流调节器1为单向电流调节器，其电流方向只能从燃料电池堆流向电机驱动器直流母线，电流调节器2为双向电流调节器，其电流方向可以在锂电池模组和电机驱动器直流母线之间双向变换。
基于TC275的质子交换膜燃料电池控制器设计
基于TC275的质子交换膜燃料电池控制器设计目录1. 内容综述 (3)1.1 研究背景 (3)1.2 研究意义 (5)1.3 文献综述 (6)2. TC275技术标准简介 (7)2.1 TC275标准概述 (8)2.2 TC275的适用范围 (9)2.3 TC275的技术要求 (10)3. 质子交换膜燃料电池工作原理 (11)3.1 电池结构 (13)3.2 电化学反应过程 (14)3.3 功率输出特性 (15)4. 控制器设计需求分析 (16)4.1 系统效率要求 (17)4.2 可靠性和稳定性要求 (19)4.3 功能性要求 (20)5. 控制器总体设计 (21)5.1 硬件架构设计 (22)5.2 软件架构设计 (23)5.3 接口设计 (25)6. 控制算法设计 (27)6.1 电堆温度控制 (29)6.2 氢气流量控制 (30)6.3 氧气流量控制 (32)6.4 电压和电流控制 (33)7. 原型实现与测试 (34)7.1 系统原型设计 (36)7.2 软件开发 (38)7.3 测试平台搭建 (39)7.4 性能测试与分析 (40)8. 应用案例分析 (41)8.1 港口运输设备 (43)8.2 公共交通工具 (44)8.3 分布式能源系统 (46)9. 经济与环境分析 (47)9.1 成本效益分析 (49)9.2 环境影响评估 (50)10. 结论与展望 (52)10.1 研究总结 (53)10.2 存在问题 (54)10.3 未来工作方向 (55)1. 内容综述实现燃料电池输出功率的精准调节，根据负载需求动态调整空气流量、氢气流量和水管理，保证燃料电池稳定运行于最佳工作点。
通过实时监测燃料电池的工作状态，例如电流、电压、温度、湿度等参数，并结合机器学习算法，实现异常现象的预警和故障诊断，保障燃料电池的安全运行。
支持多种通讯协议，实现与外部系统的互联互通，方便数据采集和远程诊断。
通过硬件平台的优化和软件算法的精细化，提高控制器的集成度和可靠性，使其更适用于实际应用场景。
质子交换膜燃料电池设计
部分氟化PEM 部分氟化 复合膜 （BAM3G） （Nafion/SiO2） ） ）
具有非常低的磺酸基 含量，高的工作效率， 含量，高的工作效率， 使单电池的寿命提高 到15000h,成本较 成本较 Nafion膜低得多。 膜低得多。 膜低得多 具有较好的吸水和保 水性能 ；采用该种复 合膜的质子交换膜燃 料电池可在大于 100℃的情况下稳定 ℃ 工作
材料 双极板 ——材料
双极板在燃料电池中的功能主要有: 双极板在燃料电池中的功能主要有: (1)连接单体模块;(2)分隔反应气体;(3)收集电流;(4)散热和排水等 连接单体模块;(2)分隔反应气体;(3)收集电流;(4)散热和排水等。 (1)连接单体模块;(2)分隔反应气体;(3)收集电流;(4)散热和排水等。 其基体材料需具有强度高、致密性好、 其基体材料需具有强度高、致密性好、导电 和导热性能好等特点
质子交换膜是质子交换膜燃料电池的关键材料之一, 质子交换膜是质子交换膜燃料电池的关键材料之一,它在燃料电池 中既可为电解质提供氢离子通道,也可作为隔膜隔离两极反应气体。 中既可为电解质提供氢离子通道,也可作为隔膜隔离两极反应气体。
全氟磺酸膜 （Nafion膜） 膜
机械强度高， 机械强度高，化学稳 定性好， 定性好，在湿度大的 条件谢导电率高； 条件谢导电率高；低 温时（ 温时（<80℃）电流 密度大， 密度大，质子传导电 阻小。 阻小。 温度升高引起质子传 导性变差； 导性变差；单体合成 困难，成本高； 困难，成本高；价格 昂贵；醇渗透等。 昂贵；醇渗透等。
作品设计目的
设计一款离子交换膜燃料电池， 设计一款离子交换膜燃料电池，使其具有以下 特点—— 特点—— 寿命较长； 寿命较长； 耐高温； 耐高温； 较廉价； 较廉价； 耐腐蚀； 耐腐蚀； 作移动式电源； 作移动式电源；
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
质子交换膜燃料电池控制器的设计
质子交换膜燃料电池控制器的设计
摘要：介绍了基于嵌入式PIC16F876A-I/SP芯片的质子交换膜燃料电池控制器的软硬件的设计，该控制器很好地改善了燃料电池的输出性能。
实验结果表明，设计的质子交换膜燃料电池控制器不仅具有保护反应堆和蓄电池等功能，并可以在多变的环境下保持燃料电池的高度可靠性和稳定性。
其性能基本达到预期指标。
关键词：燃料电池；主控芯片；控制器质子交换膜燃料电池系统是一种功率调节设备，已广泛应用于电脑、医疗/生命维持系统、电信、工业控制等领域。
它的主要功能是持续以高质量的功率供给负载。
一个高性能燃料电池系统应该有一个线性和非线性负载的较低总谐波失真、效率高、可靠性好、突发电网故障和负载改变时的快速瞬态响应的净输出电压[1]。
伴随着个人电脑和互联网的普及，低容量燃料电池产品将在工业领域和国内市场进一步增长。
由于国际市场的高度竞争，许多先进的技术，例如更高的功率密度、更高的效率、智能化控制被应用在质子交换膜燃料电池系统中。
1质子交换膜燃料电池的工作原理质子交换膜燃料电池由一个负充电电极(阳极)、一个正充电电极(阴极)和一个电介质膜组成[2]。
氢气在阳极氧化，氧气在阴极还原。
质子通过电解质膜从阳极传送至阴极，电子经外部电路负载传送。
在阴极上，氧气与质子和电子发生反应，产生水和热。
原理图，电极上的各化学反应如下：
2燃料电池控制器的硬件设计硬件的设计首先必须满足系统的要求才能实现有效的控制。
由于燃料电池控制系统的组成比较复杂，采用单一的控制单元实现所有的功能存在连线复杂、控制单元负载率过高等缺点。
因而可以根据实现功能和安装位置的不同进行功能模块划分，实现分布式控制。
燃料电池控制器主要由以下几个部分组成[4]：燃料电池系统的主控制单元、燃料电池堆的电压检测单元、监控模块单元和显示模块。
燃料电池控制器结构框图。
主控制单元作为控制系统的核心，其主要功能是：接收其他功能模块的数据，对发电系统的工作状态做出判断，根据当前发电系统的工作参数控制其工作在最佳状态。
2.1主控芯片本次燃料电池控制系统采取PIC16F876A-I/SP作为主控芯片[5]，该芯片采用的是哈佛结构，其工作频率可达20MHz，片内具有8KB快速Flash程序存储器、368B数据存储器、256B EEPROM数据存储器。
其内部包含2个模拟比较器，3个计时器，5输入通道的10位模数转换器。
指令系统只有35个指令，通过外扩DAC芯片可以输出模拟电压或电流，进而实现对鼓风机和水泵的转速控制。
2.2A/D采集模块在燃料电池发电系统中，温度、压力、电压、电流等被检测的对象都是连续变化的量，通过温度传感器、压力传感器、电压传感器、电流传感器将它们转换为连续变化的电压或电流。
模数转换器ADC的作用就是将这些模拟电压或电流转换成计算机能识别的数字量。
2.3保护与抗干扰电路故障检测由主控芯片和比较电路来完成。
监测到故障后，由主控芯片发出信息给蜂鸣器报警，同时切断DC-DC模
块开关，保护系统电路。
电路中强电、弱电信号并存，为提高系统的抗干扰能力，在DC-DC模块、电磁阀与单片机之间进行光电隔离，以确保电路的稳定性。
3燃料电池控制器的软件设计3.1主程序主程序的功能是完成系统初始化(包括各工作寄存器清零、开中断等)、工作状态判断以及合理调用各个子程序来实现系统的有效控制[6]。
主程序流程图。
3.2模块子程序燃料电池控制器程序采用结构化模块程序设计的方法，各模块分别编程，使整个程序清晰明了，方便程序设计与代码的编译调试。
燃料电池控制器模块的软件设计按照功能主要划分为初始化、A/D 采样、控制方案、通信实施四部分。
初始化是燃料电池控制器初始运行的一部分，负责初始化各种参数。
A/D采样是对各模拟量进行采集并转换成数字量，例如读入燃料电池温度、氢气入口压力值、DC/DC出口电压及电流值，供主控芯片处理，并将这些值传给显示子程序及相应子程序，进行显示和报警等。
所以在程序的编写上就比较复杂，不过按要求配置好各个A/D模块的控制器，经过触发就可以从相应的结果寄存器中读出A/D 的值。
控制方案包括了三部分内容：电池工作状态的确定、相对应的工作流程(扫描、启动、工作、关机)、安全信号的检测。
通信模块可以实现对风机与水泵的控制。
温控程序流程图。
4燃料电池控制器实验结果实验装置由质子交换膜燃料电池、铅酸蓄电池和数据采集系统组成。
燃料电池和蓄电池为负载供电，数据采集系统用来记录必要的信息。
所有物理参数，如质子交换膜燃料电池堆和蓄电池
的电流与电压、反应物的气体流量、流场的压降、空气和氢气相对湿度和温度通过数据采集系统被记录。
随负载的增加，质子交换膜燃料电池堆温度将上升。
由于温度控制器的调整，电池堆的温度将保持在50℃~60℃，。
一般来说，更高的操作温度是令人满意的，因为其减少质量运输限制和增加电化学反应率，但同时，由于水蒸气的增加，更高的温度可能导致增加质量运输损失。
因此，实验中电池堆的温度被控制在50℃~60℃，以保持水分平衡，减少了内部阻力或欧姆损失的影响。
实验结果表明，当外部的负载突然改变时，氢气不能被快速提供给质子交换膜燃料电池堆。
当UPS负载突然变化，例如，从60W到210W，质子交换膜燃料电池堆的输出电压迅速下降并使UPS关闭，因此，这个结果会使氢气和空气匮乏并可能毁掉质子交换膜燃料电池堆。
为了能够为外部负载供应足够的功率并且保护质子交换膜燃料电池堆，混合UPS系统采用铅酸蓄电池，以防止质子交换膜燃料电池的过度使用和为外部负载提供稳定的电源。
，在正常情况下质子交换膜燃料电池堆可长时间供应UPS电源，当UPS负载急剧变化或氢气被净化，燃料电池控制器可以在质子交换膜燃料电池和蓄电池之间切换。
实验的结果已经证明了所设计的控制器监控方案与传统的质子交换膜燃料电池系统相比可以更好地工作。
智能综合控制的主要优势是它可以解决燃料与空气的匮乏、膜严重侵水或干燥等问题对于一个质子交换膜燃料电池性能影响。
它完成了对不同负载功率的适应性控制，提高了稳定性、
功率效率和可靠性。