基于DSP的燃料电池测控系统硬件设计(5)
本文所研究的质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统，主要由燃料电池堆、氢气瓶、系统控制单元、DC/DC ，DC/AC电力电子变换单元、负载等组成，质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统的结构简图如图2-2所示。
图2-2 质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统的结构简图
在整个系统中，氢气和空气主要向PEMFC电池堆提供反应所需的氢气和氧气，保证电池堆产生持续的直流电。DC/DC, DC/AC电力电子变换单元主要是根据负载电压要求，将输出电压稳定在合适的范围内。系统控制单元是根据负载及电池工作条件的变化，对电池堆温度、湿度，及其排气装置等进行实时的调节，保证整个电源系统的正常工作。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统除了核心部分质子交换膜燃料电池堆外，还需要一些辅助系统才能正常工作。总的来说，一个完整的燃料电池系统大致上由燃料电池发电系统和控制系统两大部分组成，如图2-2所示。其中，燃料电池发电系统主要由质子交换膜燃料电池堆、氢气供应单元、氧气或空气供应单元、电力电子转换单元、负载实验单元等部分组成。而控制单元、系统软件分析部分属于控制系统。其中控制单元主要包括气压、流速控制单元，温度、湿度控制单元，尾气排放控制单元等。质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统组成框图如图2-3所示。
图2-3 质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统组成框图
在本系统中，各单元的功能分别为：
（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氢气和氧气，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）尾气排放控制单元。依据工作状况的需要，排放电化学反应中多余的尾气，以保障反应气体的浓度和压力平衡，保证反应顺利、稳定地进行。
（6）报警单元。报警单元保证了整个测试系统安全稳定的运行，当燃料电池运行中出现氢气泄漏、电池电压异常、电池温度异常、气体失压或超压等异常情况，蜂鸣器响铃通知用户。
（7）电源变换单元。PEMFC所产生的电能为直流电，其输出电压不仅受内阻影响而且还随负荷的变化而改变。基于上述原因，为保证系统供电性能的稳定，在燃料电池系统输出端，须要配置功率变换单元，功率变换单元（DC/DC、DC/AC变换单元）主要是保证根据负载电压要求，将输出电压稳定在合适的范围内。当负载需要交流供电时，应采用DC/AC变换器；当负载要求直流供电时，也需要用DC/DC变换器实现燃料电池组输出电能的升压与稳压。
2.3 PEMFC性能的影响因素分析
影响PEMFC性能的因素主要有两大方面：一个是组成和结构等方面的影响，不同的质子膜、电极、催化剂由于在厚度、导电性、催化活性等方面的差异，将导致PEMFC的性能不同，当确定所采用的PEMFC结构后，这部分性能将不能人为改变，在实际使用中研究的意义不大；另一个方面是操作环境和方式的影响，由于PEMFC是电化学反应，不同的反应温度、压力、湿度以及CO浓度等环境将导致系统性能的差异，这部分由于是可以控制的，如果控制不好将导致燃料电池的性能下降，在实际使用中是控制的重点。对于以PEMFC电池堆为核心的供电系统而言，如何充分发挥电池堆的放电特性是整个供电系统性能好坏的关键所在，因而，为保证整个PEMFC供电系统稳定运行，上述控制单元的一切设计，都必须围绕燃料电池堆本身的固有特性而展开。