燃料電池測試方法及對其構建靈活的測試系統

　　根據國際能源機構的一項調查，亞洲與澳大利亞2004年用作能源的石油已達1.65萬(wàn)億升。該調查還顯示，自1990年起，石油的需求量每年都在上升，致使這種已近枯竭的自然資源價(jià)格不斷攀升。燃料電池作為一種替代能源，有望用于解決能源緊張的問(wèn)題。

　　太空旅行是最早采用燃料電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)。早在1960年初，通用電子公司制造的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池就曾為NASA的GemiNI PXI技術(shù)開(kāi)發(fā)出無(wú)線(xiàn)電接收機NI和阿波羅太空艙的電力系統提供能源。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。