空冷自增湿质子交换膜燃料电池发电控制器设计

西南民族大学电气信息工程学院、西南交通大学电气工程学院的研究人员游志宇、刘涛、史青等，在2018年第2期《电工技术学报》上撰文，为便于对空冷自增湿质子交换膜燃料电池（PEMFC）发电进行控制，根据空冷自增湿PEMFC的控制特性设计一种基于STM32F103微控制器的嵌入式发电控制器。

该控制器通过采集PEMFC电堆的温度、输出电流、输出电压等参数，按照设计的控制策略，实时输出相应控制信号控制电堆稳定运行。通过实验验证了该发电控制器运行可靠、监控性能良好、实用性强，为空冷自增湿型PEMFC的实时发电控制提供了一种嵌入式控制方式。

随着经济的快速发展，能源消耗日益增大，化石能源日益枯竭，环境污染日趋严重，能源危机、气候变化与环保问题已成为目前世界各国所面临的巨大挑战[1,2]。燃料电池（Fuel Cell, FC）凭借其高效、绿色环保的优势被认为是21世纪最有前途的“绿色能源”装置，被列为未来世界十大科技之首，受到了世界各国的高度重视和大力资助[3-6]。

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）以其比功率高、能量转换效率高、起动迅速和环保等一系列优点，在氢能汽车、便携式电源、军用装备等领域具有广泛的应用前景[7-13]。

空冷自增湿PEMFC阴极直接与空气连接，采用空气作为其散热介质，结构简单、辅助功耗低、效率高，但其输出性能受到电堆氢气压力、氧气含量、温度、尾气排气间隔等参数的影响[14-20]。而空冷自增湿PEMFC可用于控制的参量非常少，只能依靠空气流量、尾气排放等来控制电堆的输出性能，且针对水冷型PEMFC的发电控制器不适宜空冷自增湿PEMFC的控制。

鉴于空冷自增湿PEMFC内部结构和工作特性的不同，本文采用STM32F103微控制器，设计一种通用的嵌入式空冷自增湿PEMFC发电控制器，使空冷自增湿PEMFC工作在最佳状态，输出功率最优，同时可延长电堆的使用寿命。针对设计的嵌入式发电控制器，本文利用Ballard公司的2kW空冷自增湿PEMFC电堆进行性能测试，以验证所设计控制器的实用性和可靠性。

图1 PEMFC工作机理

结论

为方便对空冷自增湿PEMFC电堆的发电控制，本文以STM32为主控芯片设计了空冷自增湿PEMFC发电控制器，该控制器通过采集PEMFC的工作温度、输出电流、输出电压等参数，按照选择的温度控制策略，实时输出相应控制信号控制电堆稳定运行，实现了对空冷自增湿PEMFC各参数的监测和控制。

经实验测试表明，该控制器运行稳定可靠、实用性强，为空冷自增湿PEMFC的开发与利用提供了一种嵌入式控制器，具有很高的实用价值及应用前景。