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空冷自增湿质子交换膜燃料电池发电控制器设计
资料介绍
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.
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（完整内容请下载后查看）2018 年 1 月
第 33 卷第 2 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.33 No. 2
Jan. 2018
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.161108
空冷自增湿质子交换膜燃料电池
发电控制器设计
1
2
2
2
游志宇
刘 涛
史 青
李 奇
（1. 西南民族大学电气信息工程学院 成都 610041
2. 西南交通大学电气工程学院 成都 610031）
摘要 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。
关键词：空冷自增湿 质子交换膜燃料电池 控制器 STM32F103
中图分类号：TM911.4
Design of Generation Controller of Air-Cooled Self-Humidifying
Proton Exchange Membrane Fuel Cell
You Zhiyu1 Liu Tao2 Shi Qing2 Li Qi 2
（1. School of Electrical Information Engineering Southwest University for Nationalities
Chengdu 610041 China
2. School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China）
Abstract According to the characteristics of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), a
general controller based on STM32F103 is designed to control the electricity generation of PEMFC in
this paper. In accordance with the designed control strategy, the controller can output real-time control
signals to control the stable PEMFC operation by sampling the parameters such as temperature, output
current and output voltage, etc. With experimental verification, it turns out that the controller has
reliable operation and good monitoring performance, which provides an embedded control method for
electricity generation of the PEMFC.
Keywords：Air-cooled self-humidifying, proton exchange membrane fuel cell, controller, STM32F103
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
0
引言
随着经济的快速发展，能源消耗日益增大，化
国 家 自 然 科 学 基 金 （ 61473238 ） ， 国 家 科 技 支 撑 计 划
（2014BAG08B01），四川省杰出青年基金（2015JQ0016），中央
高校基本科研业务费专项资金（2016NZYQN12）和四川省信号与
信息处理重点实验室开放课题资助（SZJJ2016-094）。
收稿日期 2016-07-14 改稿日期 2016-09-17
万方数据
第 33 卷第 2 期
游志宇等 空冷自增湿质子交换膜燃料电池发电控制器设计
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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
Fig.1 Working principle of the PEMFC
1
空冷自增湿 PEMFC 电源系统
1.1 PEMFC 工作机理
空冷自增湿 PEMFC 电堆阴极为敞开式结构，
直接与空气连接，反应所需的氧气通过外部风扇提
供，同时对电堆进行散热，带走电堆发电时产生的
多余热量[18]。当 PEMFC 阳极供给氢气，阴极供给
氧气时，在催化剂的作用下发生氢氧电化学反应，
使阳极氢气发生氧化反应，分解出电子 e-和氢离子
H+。H+穿过质子交换膜到达阴极，同时 e-沿外部电
路到达阴极，在阴极催化剂的作用下，H+、e-与 O2
发生氧化还原反应生成水并随尾气移出。其工作机
理如图1 所示。若持续不断的提供氢气和氧气，PEMFC
内部的电化学反应会持续进行，电子从阳极通过导
线源源不断地传送到阴极，形成电流。在阳极和阴
极之间加上负载，PEMFC 就开始向负载提供电能。
1.2 PEMFC 电源系统构成
图 2 空冷自增湿 PEMFC 电源系统
Fig.2 Power supply system of air-cooled
self-humidifying PEMFC
子交换膜处于最佳的湿度及温度，化学反应充分活
化。从图 2 可知，空冷自增湿 PEMFC 电堆仅有排
气阀、电堆冷却风扇可供发电控制器控制。调整排
气阀将影响电堆湿度，进而影响电堆温度及化学反
应；调整电堆冷却风扇将影响电堆温度，进而影响
电堆化学反应活性，影响电堆水的产生[18]。排气阀、
电堆冷却风扇的调整，其直观反映是电堆的堆温，
通过对电堆工作温度的控制，可间接实现对电堆输
出性能的控制，使电堆输出性能最佳[19,20]，输出功
率最大。
空冷自增湿 PEMFC 结构简单，外围辅助设备
少，其构成的电源系统如图 2 所示。图中高压氢气
经调压阀调到电堆允许压力范围后，经氢气进气阀
进入电堆的阳极，阳极出口排气阀处于关闭状态。
PEMFC 发电控制器控制进气阀、排气阀及电堆冷却
风扇。阳极尾气排气阀周期性地定时开启、关闭，
以排除电堆内的不纯氢气及反应产生的水，控制电
堆内部膜的含水量[20]。电堆冷却风扇一方面给电堆
提供充足的氧气，避免电堆氧饥饿；另一方面为电
堆散热，保持电堆工作在最优温度点[16]，使电堆质
2
PEMFC 发电控制器硬件设计
根据图 2 中 PEMFC 电源系统结构可知，空冷
自增湿 PEMFC 电堆运行时需要监测的参量主要有
电堆入口氢气压力 pH2、电堆温度 TStack、电堆输出
电压 VStack 、电堆输出电流 IStack。与空冷自增湿
PEMFC 电堆起动、运行、停止相关的硬件主要有氢
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