燃料电池艇的温度控制系统「燃料电池控制系统」

时间：2022-11-24 14:35:17来源：搜狐

今天带来燃料电池艇的温度控制系统「燃料电池控制系统」，关于燃料电池艇的温度控制系统「燃料电池控制系统」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

为提高小型游艇上燃料电池的工作效率，分析了温度对燃料电池的影响，设计了基于DSP的对相关参数的控制系统，为今后进一步的开发作了有效的探索。

1 引言

上海海事大学电力电子与电力传动学科研制成功了质子交换膜燃料电池的电力传动的游艇，在上海市工业博览会上展出，得到了很好的效果。“天翔1号”见图1。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）应用到船舶上是电力推进的一种创新。电池的放电性能受气体压力、温度、湿度、尾气排放等多种影响，本课题研究的目的就是分析压力、温度、湿度等参数对燃料电池放电性能的影响，并给出相应的控制方案。本文以对温度的控制为例作一介绍。

图1 燃料电池艇“天翔1号”

2 PEMFC供电系统的组成及功能

一个典型的PEMFC供电系统，除了核心的电池堆之外，还应该有燃料及氧化剂供应单元、控制单元以及电源变换单元。其中，控制单元作为维护整个系统正常运行的协调单元，由供气压力与流速调节单元、温度调节单元、湿度调节单元、尾气排放控制单元和工作状态显示等部分组成，如图2所示。几个主要部分的功能如下：

（1） PEMFC电池堆

氢气与氧气在其内部发生电化学反应并释放出电能，是整个系统的核心。

（2）燃料及氧化剂供应单元

不间断地向燃料电池提供电化学反应所需的H2和O2，以确保质子交换膜燃料电池实现连续稳定的运行发电。

（3）气压、流速控制单元

根据工作状况的需要，合理配置好燃料气体与氧化剂气体的压力与流速，保证电化学反应顺利、稳定地进行。

（4）温度、湿度控制单元

在质子交换膜燃料电池运行过程中，随着负载功率的变化，电池堆内部的工作状况也要相应改变，以保证电池堆内部电化学反应的正常进行，而其中最大的两个影响因素是电池堆内部的温度与湿度。在供电系统中必须有湿度与温度调节单元，以便使电池堆在负载变化时仍工作在最佳状态下。

（5）电源变换单元

PEMFC电池堆产生的电能为直流电，其输出电压因受电池内阻的影响，随着负载功率的改变而不断变化。为满足负载对电压稳定度的要求，在系统的输出端必须配备功率变换单元，以保证系统供电性能的稳定。

3 温度对PEMFC电池堆的影响

制约PEMFC电池堆放电特性的主要因素包括电池堆内部的温度、湿度和气压等，在此仅以对燃料电池堆表面温度的控制为例，作一分析说明。

在影响PEMFC的参数中，温度的对电池的影响十分显著。在相同的气体压力下，燃料电池的电压与电池温度呈线性增长关系。实际上，随着温度升高，提高了电催化剂铂的活性，而且氢、氧反应气体的扩散速度也相应的加大，所以电化学反应的速度变快了。高温时，有利于阴极反应生成水的排出，克服了电极淹没问题。还有就是质子交换膜内水的扩散速度也加快，使水在质子交换膜内的分布趋于均匀，加快了质子的传导速率，同时电解质的欧姆阻抗降低，使电池内部电阻降低，从而增强了燃料电池的放电性能，提高化学能至电能的转化效率。

但是，目前PEMFC广泛采用的是Nafion膜，它的耐温程度有限，它的运行温度一般在0～80ºC之间，温度过高，其热稳定性和质子传导性能严重下降，对燃料电池的性能有很大的影响。还有就是温度升高肯定会影响燃料电池内部的湿度，温度过高会造成膜脱水，导致质子交换膜的湿度不够，从而使质子交换膜的传导率降低。温度过低，其输出功率大大下降，电池堆的性能严重下降。所以，我们应该根据实际的情况严格控制PEMFC电池堆的表面温度在70~80ºC之间。

4 PEMFC燃料电池的总体控制方案

为确保PEMFC燃料电池实现长时间稳定、高质量的供电，控制单元应实时监测系统运行的的各个环境参数（温度、湿度，工作压力，气体浓度等），并依据负载功率的变化以及突发事件的影响，对之进行实时、有效的调节与控制，确保系统工作在最佳状态下。PEMFC燃料电池的总体控制框图见图3。

针对PEMFC电池堆本身的固有特性，对研制的便携式PEMFC供电系统采取了以下控制方案：

（1）供电系统将应用在船舶上，因此安全是最值得关注的。氧化剂采用空气，可以直接从大气中获取，大大简化了系统的体积，安全性能也好。氢气钢瓶是目前储氢方法中最为安全可靠的装置，稳定性也较好，质量和体积都相对较小。

（2）电池堆表面温度在70～80ºC之间时，电池的放电性能较好，超过这个温度，电池的稳定性和质子传导性能下降，对燃料电池的性能有很大的影响，所以需要对燃料电池堆进行冷却。冷却的方法有水冷却和风扇冷却。采用水冷会增加燃料电池堆的体积，使结构复杂化，成本较高；采用风冷结构较简单，操作方便，控制相对容易，成本较低。

（3）对PEMFC进行有效的湿度控制，能够提高燃料电池的性能。湿度控制的目的是使质子交换膜保持适当的湿度，稳定各种性能。比较常用的方法有外部增湿法、内部增湿法和自增湿法。外增湿法相对来说，原理简单，实现比较容易，费用不高。外增湿可以采用尾气循环反应气增湿方法和中空纤维型增湿器。

（4）输出负载功率变化范围不大的情况下，PEMFC电池堆的工作压力变化不大。从易于操作的角度出发，设计中采用了稳定在最佳值供应的方法，其流速由限流阀限定。空气压力采用常压供给，其流速通过调整直流风扇的转速来控制，调节直流风扇的端电压可改变其转速；对于尾气则采用定时排放的方案。

（5）用DSP为核心的智能控制电路，采集温度、湿度信号，并用数码管显示，采用PWM控制转速风扇。

5.基于DSP的对燃料电池堆温度的控制

5.1 DSP的结构及其控制图

DSP（Digital Signal Processor）数字信号处理器，它特别适用于进行实时的数字信号处理的微处理器。

本课题采用的DSP是TI公司的TMS320LF2407，它采用3.3V供电，独立的地址线和数据线，采用了4级流水线操作，执行速度达到50ns，有41个通用、双向的数字I/O引脚，可通过9个16位控制寄存器来设置。图4是DSP的控制图，图5是制作成的C2407及其外围电路板。

5.2 PEMFC温度控制

质子交换膜的耐温程度有限，一般不超过100ºC。经过对实验数据的分析，电池堆表面温度在70～80ºC之间时，电池的放电性能较好。相应的控制方法为：由数字温度传感器DS18B20检测燃料电池堆表面的温度，然后采集温度信号送入DSP进行处理，如果温度高于75ºC，DSP发出信号起动冷却风扇，温度低于75ºC时，DSP发出信号停止冷却风扇，冷却风扇的转速可采用脉宽调制PWM控制。DSP对温度传感器的输出信号进行处理，转换成能反映冷却温度的控制电压信号，从DSP的PWM接口输出，将PWM接口的输出控制加到风扇电机两端，这样便实现了根据冷却温度调节冷却风扇转速的目的。这些都是通过编程实现的。PWM的初始化程序：

Void initpwm(unsigned int period)

{ *OCRA=0Xff00；//把多功能端口设置为PWM端口

*GPTCON=0xe06A；//设置端口输出高有效

*T2CON=0x280A；//连续增减计数，对CPU时钟直接计数

*T2CNT=0x0000；//计数器初值为0

*T2PR=period；//设置PWM的周期值

*COMCON=0xCBD0；//选择PWM的T2，比较输出使能

*SACTR=0x02A；//设置PWM端口输出低有效

*T2CON=0x284A；//启动T2

}