自增湿阴极开放式PEMFC控制系统设计及实验研究

能源危机和环境问题是21世纪人类面临的两大全球性难题,燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置,越来越多地受到各国政府和科研机构的重视。在众多类型的燃料电池中,质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)因其工作温度低、能量转换效率高和易于操作等优点,越来越多的被应用于交通、军事、航天及便携式移动电源等领域。本文设计并实现了基于混合信号微控制器的自增湿阴极开放式PEMFC控制系统,详细阐述了系统硬件及软件设计过程。系统从电池阳极排气装置和阴极散热风扇入手,实现了阳极手动排气、周期排气、安时积分排气以及电堆工作温度控制等多种功能,并最大限度保证了PEMFC系统运行参数的可调性,对维护PEMFC内部良好水热平衡状态具有重要意义。此外,还设计并实现了基于数据采集硬件模块和LabVIEW软件的PEMFC电堆单电池电压巡检系统,实现了对单电池电压数据的实时检测、显示及存储。系统实时性强,准确度高,可保障PEMFC电堆的安全稳定运行。利用自主设计的PEMFC控制系统及单电池电压巡检系统,针对实验室自制的自增湿阴极开放式PEMFC电堆开展了一系列实验研究。阳极安时积分排气和周期排气实验表明,使用安时积分排气的电堆可实时跟踪负载电流的变化以改变其排气频率,相较于周期排气,安时积分排气在保证电堆良好输出的同时降低了氢气消耗达30%,大幅提高了PEMFC系统运行经济性。电堆温控实验表明,温度控制能显著改善PEMFC电堆输出的稳定性。单电池电压巡检实验表明,排气周期的选择及负载大小对PEMFC电堆单电池电压的均衡性有显著影响。以上实验研究验证了所设计的控制系统及巡检系统的有效性和稳定性。基于电化学基本理论,建立了以负载电流、工作温度为输入,电压为输出的PEMFC电堆动态仿真模型。通过实验验证了仿真结果较高的准确度,表明所建模型能准确描述自增湿阴极开放式PEMFC电堆的动态响应和输出特性,可为自增湿阴极开放式PEMFC控制系统的优化设计提供指导。