基于DSP的燃料电池测控系统硬件设计(9)
3.2 质子交换膜燃料电池（PEMFC）测控系统各控制单元的设计方案
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，而控制单元、系统软件分析部分属于控制系统。质子交换膜燃料电池（PEMFC）控制单元主要包括气压、流速控制单元，温度、湿度控制单元和尾气排放控制单元等。
3.2.1 氢气气压、流速控制单元的设计
本章第一小节从理论上分析了反应气体对PEMFC电池堆放电性能的影响，较高的操作压力有利于反应气体的传质，可以降底活化电位，提高交换电流密度，从而增强电池堆的放电性能。同时，实验室出于实用化和简便的考虑，选用了常压空气作为氧化剂，而为保持质子交换膜两侧的空气、氢气压力基本平衡，确保膜不被压破，氢气的最大供应压力不要超过0.25MPa(根据加拿大Palcan公司提供的数据)。在此范围内，电池堆内部的氢气的压力越高，则电池堆放电性能越好。另一方面，氢气压力越大则系统能耗消耗越大，必然会减少整个系统的转化效率，因此在实际的设计中，氢气的供应压力必须兼顾以上两方面的考虑。
气体压力、流速控制单元的控制框图如图3-2所示。在电池堆运行过程中，氢气瓶的初始出口压力为13.5MPa左右，随着放氢的不断进行，压力逐渐减小。为了确保进入电池堆内部的氢气压力稳定在0.25MPa以下，我们在氢气瓶出口与电池堆之间设置了一个稳压阀。为了控制氢气的气体流速，我们在稳压阀与燃料电池堆之间设置了一个限流阀。
图3-2 氢气气压、流速控制单元
3.2.2 温度控制单元的设计
质子交换膜的耐温程度有限，一般不超过100℃。经过对实验数据的分析，电池堆表面温度在70~80℃之间时，电池的放电性能较好。在运行中，电池堆内部不断产生热量，如果不及时排除多余的热量，当电池堆的温度接近100℃时，质子交换膜的性能下降甚至遭到破坏。同样电池堆内部的温度也不能过低，当低于30℃时，其输出功率大大下降，极化增加，电池堆的性能严重下降。所以，控制PEMFC电池堆的反应温度至关重要。初步计划采用调节冷却风扇，以达到控制电池堆内部工作温度的目的。
根据以上分析，设计中应该充分利用整个系统的发热量，使得电池堆的内部温度在一个较高的范围内，但是前提是保证电池堆适宜的内部温度和不超过膜的耐温范围。经过分析把温度设定在75℃，相应的控制方法如下:
(1) 用温度传感器(TC72)测量室温，用热电偶模数转换器（MAX6675）和热电偶（K型）测量燃料电池堆表面温度，由燃料电池堆的表面温度，能够对燃料电池的温度进行实时检测。
(2) TC72，Max6675与TMS320F2812的GPIO相连，将采集的温度信号送入DSP处理，如果温度高于75℃，数字信号控制器发出PWM信号起动冷却风扇，温度低于75℃时，数字信号控制器发出PWM信号停止冷却风扇工作。
温度控制单元的控制框图如图3-3所示。
图3-3 温度控制单元的控制框图
3.2.3 尾气排放控制单元的设计
燃料电池堆在放电过程中，随着电化学反应的不断进行，其内部气体成分的比重不断发生变化。一方面，不参加反应的废气（主要是水蒸气和一些杂质气体等）会越聚越多，必然会稀释参加反应的氢气的浓度，阻碍其传质过程。另一方面，生成的水蒸气是电池堆内部湿度的重要影响因素，水蒸气汇聚太多，会导致湿度太高，有可能淹没电池的电极，造成恶性损坏。基于以上考虑，电池堆必须适时地排放尾气。设计中采取定时排放的方式，由DSP定时电路与电磁阀来实现，定时时间由设计性能实验来测试获取。