基于可伸縮的燃料電池的測試系統設計

太空旅行是最早采用燃料電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)。從那時(shí)開(kāi)始，燃料電池技術(shù)有了長(cháng)足的進(jìn)步，其應用如今已遍及從筆記本電腦和 MP3播放器到混合動(dòng)力汽車(chē)甚至建筑物等各個(gè)領(lǐng)域。隨著(zhù)燃料電池的應用不斷增多，設計工程師不但需要了解這種技術(shù)的原理，還應熟悉燃料電池堆(cell stack)的可靠性與功能性測試。本文主要介紹構建燃料電池測試系統的兩個(gè)主要標準：可伸縮性和隔離。

測試需求

燃料電池是一種設備，它能利用氫這種地球上最豐富的元素將化學(xué)能轉化為電能。PEM燃料電池(最常用的一種燃料電池)中，在多孔陽(yáng)極 (porous anode)與陰極之間有一層電解膜。這層電解膜由一種允許質(zhì)子通過(guò)但阻擋電子通過(guò)的特殊材料制成。PEM電池工作時(shí)，讓氫氣和氧氣分別通過(guò)陽(yáng)極與陰極，從而產(chǎn)生電流。陽(yáng)極發(fā)生接觸反應將氫氣分解為質(zhì)子，這些質(zhì)子通過(guò)PEM到達陰極。電子不能穿透PEM，所以會(huì )沿著(zhù)其周?chē)囊粭l電路到達陰極，這條電路中電子的移動(dòng)就形成了電流。

PEM燃料電池主要用于汽車(chē)應用中，電池堆中的每個(gè)電池單元可產(chǎn)生1.1V到1.23V的電壓。那么燃料電池與普通電池的差異在何處呢？普通電池只 能存儲有限的電荷，因而使用時(shí)間有限，燃料電池卻不同，只要保持恒定的氫和氧供應，燃料電池就能一直提供能量。這種能夠持續產(chǎn)生能量的特點(diǎn)使燃料電池非常 適合為汽車(chē)和建筑物提供能源。但有些要求能量來(lái)源十分可靠的應用就需要在使用前對燃料電池進(jìn)行徹底的測試。

燃料電池是一種可伸縮、復雜度最低，卻能產(chǎn)生“很多電能”的系統。燃料電池的靈活性也決定了，為保證安全、長(cháng)期使用，需要有一種靈活的方法對其進(jìn)行測試。因此，在能添加I/O點(diǎn)的模塊化平臺上構建燃料電池測試應用就顯得至關(guān)重要。

除了應具備模塊化和可伸縮的特性外，測試系統還應該既能測量整個(gè)電池堆的電壓也能測量每個(gè)電池單元的電壓。電池堆的每個(gè)單元中，氫氣和氧氣 通過(guò)陽(yáng)極和陰極的流速都不同，因此每個(gè)單元提供的電壓也不同。于是，監測這些電壓，從而了解每個(gè)單元是否工作正常，以及控制氣體流速以達到能源產(chǎn)生的最佳 狀態(tài)，這些都十分重要。除了氣體流速之外，對燃料電池的溫度也必須加以控制。以PEM燃料電池為例，60℃到80℃就是最佳工作溫度。

圖1：各種燃料電池的工作過(guò)程

要保證對整個(gè)電池堆電壓的測量可靠，就要求測試系統的通道-地之間有足夠的隔離度，而且系統擁有足夠的抑制共模信號的能力。雖然每個(gè)電池單元產(chǎn)生的 電壓可能還不超過(guò)1V，但多個(gè)電池單元堆疊起來(lái)卻可能輸出很高的電壓和電流。高性能的電池堆中往往包含成百上千個(gè)單元。因此，要準確體現燃料電池堆的特 性，系統必須能在大共模電壓下(往往高達幾百伏)對小電壓進(jìn)行多通道測量。

測試方法

一種進(jìn)行燃料電池測試的方法是采用嵌入式可編程自動(dòng)控制(PAC)系統，這種系統既能測量單元電池電壓，也能控制氣體流速和溫度等因素。 NI的CompactRIO等模塊化現成方案不但能提供這些特性，還具備更豐富的擴展功能。CompactRIO采用可伸縮設計，采用了一個(gè)開(kāi)放的嵌入式 架構工業(yè)I/O模塊，具有小尺寸、極高耐用性以及可熱插拔的特點(diǎn)。

圖2：NI 9206能夠承受高達600V的共模電壓，兩組電池單元之間的隔離也可達10V