一種PEM燃料電池測試系統(tǒng)的設(shè)計

1、一種PEM燃料電池測試系統(tǒng)的設(shè)計         關(guān)鍵詞  質(zhì)子交換膜燃料電池；測試系統(tǒng)；控制 1  引言    質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）是一種以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)膜，氫氣或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，帶有氣體流動通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極板的發(fā)電裝置，如圖1所示。PEMFC除具有燃料電池的一般特點（如能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好等）之外，同時還具有可在室溫快速啟動、無電解液流

2、失、水易排出、壽命長、能量密度高等突出特點。它不僅可用于建設(shè)分布式電站，也特別適宜于用作可移動動力源，是移動通訊設(shè)備、電動車和不依靠空氣推進潛艇的理想電源1。由于PEMFC發(fā)電系統(tǒng)是一個涉及電化學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)、電工學(xué)等多種學(xué)科的復(fù)合系統(tǒng)，它在運行過程中需要調(diào)節(jié)和控制的參數(shù)多而復(fù)雜。因此，為其提供穩(wěn)定可靠的測試與控制平臺在PEMFC的研制、開發(fā)以及性能測試中具有一定的現(xiàn)實意義。本文將詳細(xì)介紹一種采用ADLINKTECH的PCI-9112、PCI-6208V數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合LabVIEW開發(fā)的PEM燃料電池測試系統(tǒng)。圖1 PEMFC燃料電池原理圖2  系統(tǒng)測試要求 

3、0;  PEM燃料電池測試系統(tǒng)主要是為PEMFC提供一個工作和測試平臺，它主要的工作是：1）實時監(jiān)測并顯示燃料電池運行過程中的各種參數(shù)和工作狀態(tài)，包括燃料氣與氧化劑氣體的流量、壓力、溫度，電池電堆的溫度、放電電壓、電流等；2）通過對各運行參數(shù)的采集分析，采用各種控制方法實時調(diào)節(jié)和控制燃料電池的工作狀態(tài)，確保電池電堆連續(xù)穩(wěn)定的工作，需要控制的參數(shù)包括燃料氣與氧化劑氣體的流量、入口溫度和露點溫度、尾氣的排放等；3）解決燃料電池運行中出現(xiàn)的氫氣泄漏、電池電壓異常、電池溫度異常、氣體失壓或超壓等異常情況，配合手動關(guān)斷功能以及主控軟件使整個測試系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行；4）實時記錄燃料電池工作過程中

4、的各種參數(shù)，并圖形化顯示重要參數(shù)的變化曲線，以此分析燃料電池的工作特性。3  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及設(shè)計    在該測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計上,采用了模塊化的設(shè)計思想，依據(jù)各模塊所實現(xiàn)的功能將整個硬件部分劃分為6個模塊，分別是：配氣單元、氣體加濕單元、電子負(fù)載單元、硬件聯(lián)鎖保護單元、數(shù)據(jù)采集單元以及反饋控制單元，硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖    從圖中可以看出，配氣單元主要完成對反應(yīng)氣體以及保護氣體的配送管理，在設(shè)計時加入質(zhì)量流量控制計來實現(xiàn)對氣體流量的采集與控制；氣體加濕單元完成對反應(yīng)氣體的濕度和溫度管理，其

5、核心部件為露點加濕器；電子負(fù)載單元完成對燃料電池電堆的放電管理；硬件聯(lián)鎖單元完成對整個系統(tǒng)的安全控制，這是本測試系統(tǒng)研究的一個重點；數(shù)據(jù)采集單元完成對系統(tǒng)中各傳感器、控制器的數(shù)據(jù)采集；反饋控制單元則在對各數(shù)據(jù)分析后通過PCI總線發(fā)送控制信號至控制卡以控制硬件聯(lián)鎖保護單元、配氣單元和加濕單元的正常運行，而同時通過RS485總線，實現(xiàn)對電子負(fù)載工作狀態(tài)、工作參數(shù)的實時采集和控制。3.1  硬件聯(lián)鎖保護    硬件聯(lián)鎖是相關(guān)聯(lián)硬件之間串行或并行的組合，系統(tǒng)的硬件聯(lián)鎖保護是為系統(tǒng)硬件的正常運行提供安全保護。針對燃料電池的運行方式與工作特性，本測試系統(tǒng)采用了如圖3

6、所示的硬件聯(lián)鎖保護設(shè)計，即分別提供了數(shù)據(jù)采集卡工作狀態(tài)檢測、反應(yīng)氣體與保護氣體壓力狀態(tài)檢測、手動緊急開關(guān)設(shè)置狀態(tài)檢測以及氫氣泄漏監(jiān)測的保護措施。其中，對于系統(tǒng)安全最為重要的氫氣泄漏問題，在設(shè)計中采用了高靈敏度的MST Hydrogen Sensor Switch以提高反應(yīng)速度，并設(shè)計了獨立的保護電路以確保監(jiān)測的實時性與可靠性。    在整個測試系統(tǒng)開始運行或運行過程中，當(dāng)出現(xiàn)電池電壓異常、電池溫度異常、負(fù)荷裝置過載、擴散器水位異常、系統(tǒng)內(nèi)部異常過熱、氣體供給失壓或超壓、氫氣泄漏等情況時，硬件聯(lián)鎖保護都能立即切斷反應(yīng)物供給通道，緊急吹入氮氣清洗燃料電池，使反應(yīng)立刻停

7、止，并通過聲光進行報警。同時通過手動緊急開關(guān)功能的設(shè)置，工程師可以隨時手動停止燃料電池的工作。圖3 硬件聯(lián)鎖保護邏輯圖3.2 多通道數(shù)據(jù)采集與反饋控制    整個測試系統(tǒng)的核心是基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集與反饋控制。在該測試系統(tǒng)需要采集模擬量共有13路，其中熱電耦的溫度模塊有7路電流信號，氣體壓力有2路電流信號，氣體流量有2路電壓信號，電池電壓與電流采集則各有1路。在設(shè)計中，壓力傳感器采用了高精度的DC1300-DF型壓力變送器，測試精度為0.5%，流量計采用D07-9C質(zhì)量流量控制計，測試精度1%，控制精度1.5%。系統(tǒng)的模擬量輸出共有6路，分別為可控硅的溫度模塊

8、4路、流量計控制輸出2路。而本測試系統(tǒng)的數(shù)字采集和控制量是跟系統(tǒng)安全運行相關(guān)的一些重要參數(shù)，包括供氣系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中的水位、各電磁閥的關(guān)斷、氫氣泄露監(jiān)測等信號。根據(jù)以上采集與控制量的分析，在本系統(tǒng)的設(shè)計中采用了ADLINKTECH的PCI-9112、PCI-6208V數(shù)據(jù)采集控制卡：    1）PCI-9112主要用于模擬量的采集、數(shù)字量的采集和控制。它是12位110KHz采樣率多功能數(shù)據(jù)采集卡，具有16路單端或8路差分模擬輸入通道、16路TTL數(shù)字輸入和16路TTL數(shù)字輸出通道、2路12位多路切換模擬輸出通道、1通道16位通用定時/計數(shù)器、3種觸發(fā)方式、可編程增益控

9、制。    2）PCI-6208V主要用于模擬量的控制。它是16位8通道模擬量輸出控制卡，輸出范圍±10V，輸出范圍可編程。    由于本測試系統(tǒng)中的數(shù)字量為24V，模擬量輸入有9路為電流信號，所以由PCI-9112數(shù)據(jù)采集卡配合端子板ACLD-9182（16通道隔離數(shù)字輸入）、ACLD-9138（16通道模擬量輸入）來完成系統(tǒng)的輸入要求。而輸出方面，PCI-9112的8路數(shù)字量輸出通過端子板ACLD-9185（16通道繼電器輸出）實現(xiàn)系統(tǒng)對數(shù)字量的控制，PCI-6208V的6路模擬量輸出則通過端子板ACLD-9137（8通

10、道模擬量輸出）實現(xiàn)系統(tǒng)對模擬量的控制要求。4  系統(tǒng)控制軟件設(shè)計圖4 測試系統(tǒng)軟件流程圖    測試系統(tǒng)的控制軟件部分采用NI的儀器專用開發(fā)平臺LabVIEW開發(fā)。LabVIEW是基于流程圖的圖形化編程方式，因此被稱為G語言。與傳統(tǒng)語言相比，LabVIEW編程簡單、易于理解，而且它針對數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號分析提供了豐富完善的功能圖標(biāo)，供用戶直接調(diào)用，免去了用戶直接編寫程序的繁瑣。利用LabVIEW能在很大程度上縮短開發(fā)時間，并能提高測試系統(tǒng)的水平和系統(tǒng)的集成化。ADLINKTECH也為其數(shù)據(jù)采集卡提供了完整的LabVIEW驅(qū)動程序DAQ-LVIEW

11、PnP，以直接替代NI DAQ VIs，通過它用戶可以直接在LabVIEW平臺下進行各種方式的數(shù)據(jù)開發(fā)。在本測試系統(tǒng)的整個軟件設(shè)計過程中采用了面向流程的程序設(shè)計思想和模塊化的程序結(jié)構(gòu)，將測試系統(tǒng)的軟件在結(jié)構(gòu)上分為流程監(jiān)測模塊、控制模塊和分析模塊、安全監(jiān)測模塊4個部分，軟件的總體流程如圖3所示。4.1 控制程序    控制程序?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)運行中的保護參數(shù)、主控參數(shù)以及電子負(fù)載參數(shù)的實時控制，通過設(shè)計的用戶界面，用戶可以隨時改變這些相關(guān)參數(shù)。保護參數(shù)部分主要是電堆溫度、極板溫度以及氣體壓力等安全值的設(shè)置?？刂茀?shù)部分主要是燃料電池陰陽極流量、入口溫度以及加濕器露點溫度的

12、設(shè)置，其中對于入口溫度和露點溫度的控制還可以調(diào)節(jié)燃料電池反應(yīng)氣的相對濕度?？紤]到露點加濕器的溫度控制具有大滯后和非線性的特點，采用了積分分離PID控制算法進行參數(shù)整定。以上兩類參數(shù)的控制都是通過PCI總線與數(shù)據(jù)采集卡的通信來實現(xiàn)，而電子負(fù)載的參數(shù)控制則是通過RS485總線來實現(xiàn)的。本測試系統(tǒng)中電子負(fù)載的基本通信模式參數(shù)為：115200、n、8、1，也就是波特率115200bps，端口數(shù)據(jù)位為8，無奇偶校驗，停止位為1。串口的數(shù)據(jù)傳輸采用數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)：A N D1.DN C /A，其中A為通信地址，N為數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)的個數(shù)，D1.DN為數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，C為校驗和，即（A，N，D1.DN）數(shù)據(jù)累加，/

13、A為地址反碼，也就是數(shù)據(jù)包的結(jié)束符。測試軟件的串口通信流程如圖5所示。圖5 串口通信流程圖    通過執(zhí)行上面的通信流程，測試系統(tǒng)就可以對電子負(fù)載進行參數(shù)控制，使燃料電池以設(shè)定的工作模式進行放電，并進行實時結(jié)果的數(shù)據(jù)采集。4.2 流程監(jiān)測與分析程序    流程監(jiān)測程序?qū)崟r的顯示燃料電池運行中的各類參數(shù)，包括反應(yīng)氣的壓力、流量、加濕器溫度、電池極板和電堆溫度等，并負(fù)責(zé)實時監(jiān)測所有控制電磁閥的狀態(tài)、水箱水位狀態(tài)、電子負(fù)載的運行狀態(tài)，以便在發(fā)生異常情況時能及時在面板中提示用戶。在該程序面板中還設(shè)有功能鍵，分別控制電子負(fù)載和整個測試系統(tǒng)的運行

14、。分析程序則對實驗的數(shù)據(jù)文件進行數(shù)據(jù)分析，用戶通過查詢記錄來搜索需要分析的數(shù)據(jù)文件，在讀取數(shù)據(jù)文件后通過選取參數(shù)，系統(tǒng)可以繪出所選參數(shù)的波形曲線，使用戶可以直觀的觀測測試數(shù)據(jù)，以此分析燃料電池的工作特性。5  實驗結(jié)果與結(jié)論    測試系統(tǒng)的運行界面如圖6所示。圖6a流程監(jiān)測界面直觀的顯示了燃料電池運行過程中的各種參數(shù)和運行狀態(tài)，圖6b測試曲線界面則有效的顯示了某些參數(shù)的變化趨勢，圖中可以看出對于露點加濕器溫度的PID控制，以及對電子負(fù)載的流程控制均達到了很好的效果。（a）（b）圖6 控制軟件界面    本測試系統(tǒng)實現(xiàn)了對PEM燃料電池不同負(fù)載要求的適應(yīng)性控制，能實時監(jiān)測電池電堆的工作狀態(tài)，其測試精度也完全滿足PEM燃料電池測試的需要，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、使用方便，用于PEM燃料電池有很好效果。目前，該測試系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，工作情況良好。參考文獻1衣寶廉. 燃料電池原理、技術(shù)、應(yīng)用.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.8.2劉君華.