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分析了温度对燃料电池的影响，设计了基于DSP的相关参数控制系统，为今后进一步开发进行了有效的探索，以提高小型游艇上燃料电池的生产效率。

1 引 言

上海海事大学电力电子与电力传动系研制成功质子交换膜燃料电池电力传动的游艇，并在上海市工业博览会上展出，取得了较好的效果。 “天翔一号”参见图1。

将质子交换膜燃料电池PEMFC )应用于船舶是电力推进的革新。 电池的放电性能受气体压力、温度、湿度、排气等诸多影响，本课题的研究目的是分析压力、温度、湿度等参数对燃料电池放电性能的影响，并提供相应的控制方案。 以温度的控制为例进行介绍。

图1燃料电池艇“天翔1号”

2 PEMFC供电系统的组成及功能

是典型的PEMFC供电系统，除核心电池组外，还应包括燃料和氧化剂的供给单元、控制单元和电源转换单元。 其中，控制单元作为维持系统整体正常运行的调整单元，如图2所示，由气体供给压力和流速调整单元、温度调整单元、湿度调整单元、排气控制单元和工作状态显示等部分构成。 几个主要部分的功能如下。

)1) PEMFC电池组

氢和氧在其内部发生电化学反应，释放电能，这是整个系统的核心。

)2)燃料及氧化剂供给单元

为了使质子交换膜燃料电池实现连续稳定的运转发电，将继续向燃料电池提供电化学反应所需的H2和O2。

)3)气压、流速控制单元

根据工作情况需要，合理配置燃料气体和氧化剂气体的压力和流速，保证电化学反应顺利、稳定地进行。

4 )温度、湿度控制单元

质子交换膜燃料电池在运行中，随着负载功率的变化，电池组内部的工作情况也必须相应变化，以保证电池组内部电化学反应的正常进行，但其中最大的两个影响因素是电池组内部的温度和湿度。 电源系统需要湿度和温度调节单元，以便即使负载发生变化，电池组也能在最佳状态下工作。

)5)电源转换单元

PEMFC电池组产生的电力是直流电，其输出电压受电池内阻的影响，并随着负载电力的变化而不断变化。 为了满足负载对电压稳定度的要求，系统的输出端必须配备电力转换单元，以保证系统供电性能的稳定。

制约

3 温度对PEMFC电池堆的影响

PEMFC电池组电气特性的主要因素是电池组内部的温度、湿度和气压等，本文以燃料电池组表面温度的控制为例进行分析说明。

在影响PEMFC的参数中，温度对电池的影响非常明显。 在相同的气压下，燃料电池的电压与电池温度呈直线增加的关系。 事实上，随着温度的上升，电催化铂的活性提高，氢、氧反应气体的扩散速度也相应地增大，因此电化学反应的速度加快。 高温时，有利于阴极反应排出生成水，克服了电极淹没的问题。 另外，质子交换膜内的水的扩散速度也变快，质子交换膜内的水的分布变得均匀，质子的传导速度变快，同时电解质的欧姆电阻降低，电池内部电阻降低，燃料电池的放电性能提高，从化学能到电能的转换效率提高

但是，目前PEMFC广泛采用Nafion膜，其耐温度有限，其工作温度一般在0~80C之间，温度过高，其热稳定性和质子传导性能明显下降，严重影响燃料电池的性能。 另外，温度上升一定会影响燃料电池内部的湿度，温度过高会导致膜脱水，质子交换膜湿度不足，质子交换膜的传导率下降。 温度过低，输出功率会大幅下降，电池组的性能会大幅下降。 因此，应该根据实际情况严格控制PEMFC电池组的表面温度。

为了使

4 PEMFC燃料电池的总体控制方案

PEMFC燃料电池实现长时间稳定、高质量的供电，控制单元实时监测系统工作的各环境参数温度、湿度、工作压力、气体浓度等)，根据负载功率的变化及突发事件的影响，实时PEMFC燃料电池的整体控制框图如图3所示。

针对emfc电池组本身的固有特性，对开发的便携式PEMFC供电系统采用了以下控制方案。

1)供电系统应用于船舶，因此安全最受关注。 氧化剂采用空气可以直接从大气中取出，大大简化了系统的体积，安全性能也很好。 氢气瓶是目前储氢方法中最安全可靠的装置，稳定性好，质量和体积相对较小。

)电池组表面温度在70~80C之间时，电池的放电性能良好，如果超过该温度，则电池的稳定性和质子传导性能降低，对燃料电池的性能产生较大的影响

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 initpwmunsigned 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

}

6 结束语

本课题是在上海市教委“电力电子与电力传动”重点学科建设项目的资助下，开展的 “新型能源船舶集成动力系统”的研究工作的一部分。主要研究燃料电池供电系统及其控制技术，为实现燃料电池在船舶上的应用提供技术平台。

目前已经实现了用DSP对燃料电池供电系统中的温度与湿度的控制，得到了稳定的输出直流电压，并经电源变换，得到相应的交流电压，证实了燃料电池高效的特点，并通过电力推进器，实现了真正的船舶电力推进。

今后将逐步对其他参数也予以控制，并设计开发人机界面，使控制更方便更具有实观感。燃料电池在船舶上应用的研究具有开拓性、前瞻性和创新性，立题意义重大，应用前景广阔。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“燃料电池艇的温度控制系统探索”，作者为gddqb、ykdrjb。）