基于可伸縮的燃料電池的測試系統(tǒng)設(shè)計

太空旅行是最早采用燃料電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)。從那時開始，燃料電池技術(shù)有了長足的進步，其應(yīng)用如今已遍及從筆記本電腦和 MP3播放器到混合動力汽車甚至建筑物等各個領(lǐng)域。隨著燃料電池的應(yīng)用不斷增多，設(shè)計工程師不但需要了解這種技術(shù)的原理，還應(yīng)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(gòu)建燃料電池測試系統(tǒng)的兩個主要標(biāo)準(zhǔn)：可伸縮性和隔離。

測試需求

燃料電池是一種設(shè)備，它能利用氫這種地球上最豐富的元素將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。PEM燃料電池(最常用的一種燃料電池)中，在多孔陽極 (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)子通過但阻擋電子通過的特殊材料制成。PEM電池工作時，讓氫氣和氧氣分別通過陽極與陰極，從而產(chǎn)生電流。陽極發(fā)生接觸反應(yīng)將氫氣分解為質(zhì)子，這些質(zhì)子通過PEM到達陰極。電子不能穿透PEM，所以會沿著其周圍的一條電路到達陰極，這條電路中電子的移動就形成了電流。

PEM燃料電池主要用于汽車應(yīng)用中，電池堆中的每個電池單元可產(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，因而使用時間有限，燃料電池卻不同，只要保持恒定的氫和氧供應(yīng)，燃料電池就能一直提供能量。這種能夠持續(xù)產(chǎn)生能量的特點使燃料電池非常 適合為汽車和建筑物提供能源。但有些要求能量來源十分可靠的應(yīng)用就需要在使用前對燃料電池進行徹底的測試。

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

除了應(yīng)具備模塊化和可伸縮的特性外，測試系統(tǒng)還應(yīng)該既能測量整個電池堆的電壓也能測量每個電池單元的電壓。電池堆的每個單元中，氫氣和氧氣 通過陽極和陰極的流速都不同，因此每個單元提供的電壓也不同。于是，監(jiān)測這些電壓，從而了解每個單元是否工作正常，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程

要保證對整個電池堆電壓的測量可靠，就要求測試系統(tǒng)的通道-地之間有足夠的隔離度，而且系統(tǒng)擁有足夠的抑制共模信號的能力。雖然每個電池單元產(chǎn)生的 電壓可能還不超過1V，但多個電池單元堆疊起來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單元。因此，要準(zhǔn)確體現(xiàn)燃料電池堆的特 性，系統(tǒng)必須能在大共模電壓下(往往高達幾百伏)對小電壓進行多通道測量。

測試方法

一種進行燃料電池測試的方法是采用嵌入式可編程自動控制(PAC)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)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(xiàn)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(shè)計，采用了一個開放的嵌入式 架構(gòu)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。

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