质子交换膜燃料电池系统设计

质子交换膜燃料电池系统设计

质子交换膜燃料电池系统设计
质子交换膜燃料电池系统是一种功率调节设备，已广泛应用于电脑、医疗/生命维持系
统、电信、工业控制等领域。它的主要功能是持续以高质量的功率供给负载。一个高性
能燃料电池系统应该有一个线性和非线性负载的较低总谐波失真、效率高、可靠性好、
突发电网故障和负载改变时的快速瞬态响应的净输出电压[1]。伴随着个人电脑和互联网
的普及，低容量燃料电池产品将在工业领域和国内市场进一步增长。由于国际市场的高
度竞争，许多先进的技术，例如更高的功率密度、更高的效率、智能化控制被应用在质
子交换膜燃料电池系统中。

1 质子交换膜燃料电池的工作原理

质子交换膜燃料电池由一个负充电电极(阳极)、一个正充电电极(阴极)和一个电介质膜
组成[2]。氢气在阳极氧化，氧气在阴极还原。质子通过电解质膜从阳极传送至阴极，电
子经外部电路负载传送。在阴极上，氧气与质子和电子发生反应，产生水和热。原理图
如图1所示，电极上的各化学反应如下：


2 燃料电池控制器的硬件设计


硬件的设计首先必须满足系统的要求才能实现有效的控制。由于燃料电池控制系统的组
成比较复杂，采用单一的控制单元实现所有的功能存在连线复杂、控制单元负载率过高
等缺点。因而可以根据实现功能和安装位置的不同进行功能模块划分，实现分布式控制
。燃料电池控制器主要由以下几个部分组成[4]：燃料电池系统的主控制单元、燃料电池
堆的电压检测单元、监控模块单元和显示模块。燃料电池控制器结构框图如图2所示。

主控制单元作为控制系统的核心，其主要功能是：接收其他功能模块的数据，对发电系
统的工作状态做出判断，根据当前发电系统的工作参数控制其工作在最佳状态。

2.1 主控芯片

本次燃料电池控制系统采取PIC16F876A-
I/SP作为主控芯片[5]，该芯片采用的是哈佛结构，其工作频率可达20
MHz，片内