燃料电池测试系统研发现状介绍

                                        1.桑英军    2.范媛媛

                 (1淮阴工学院电信系；2淮阴工学院计科系，江苏淮安223001)


    随着全球对能源需求的增长及人类对环境要求的提高。各个国家对燃料电池的研究和开发H益增多。燃料电池是最有希望为汽车和居民提供清洁高效能源的技术之一。燃料电池发动机被认为是最有希望取代内燃机的新型能源动力系统。燃料电池测试系统不仅存燃料电池系统的研发阶段十分重要，即使是在其投入使用之后对于维持电池的正常工作也是不可或缺的。强大的测试能力能够提供对燃料电池可靠的监控。提供灵活的结构，具备了这种能力，科学界能够很方便地设计他们的系统，以跟踪燃料电池技术进步。

    1．国内外燃料电池测试系统整体研究现状及水平

    由于燃料电池还处于开发阶段，汽车工业还没有制定燃料电池的标准测试仪器．更谈不上统一规范的测试仪器供应商。许多公司开始走近这项挑战，研究准确测试燃料电池的解决方案。这些公司中最引人注目的是美国的Hydrogenics公司和美国国家仪器公司(NationalInstnlments，简称NI)，它们推出了一些软硬件测试产品．能够兼容多种燃料电池，测得几乎所有设计指标：5。Hydrogenics的Greenljght公司是世界上最大的燃料电池测试系统牛产基地．它是燃料电池工业测试诊断设备引领全球的供应商。Nl足全球基于计算机测屠的领导者，许多领先的燃料电池制造商都在开发的各个阶段使用NI硬件及软件T具来测试燃料电池。

    在整个电池行业研发出燃料电池测试系统的公司屈指可数，H在2004年之前均为国外厂家[6]。为使研发燃料电池的专家能利用测量、控制、分析及可视化工具进ij评估，武汉力兴测试设备有限公司紧跟世界燃料电池的最前沿技术，自主开发出具有国内领先水平的燃料电池测试系统，并于2004年一月推出国内首台燃料电池测试系统。该系统的推出填补了我国在燃料电池测试领域的空白．在推广国内燃料电池产业发展的里程碑上有着非同寻常的意义。

    2．燃料电池测试系统的基本理论

    2．1 测试目的

    虽然研究、开发、制造和应用部f J的总目标各有不同。它们对于燃料电池的检测和躲视项目要求却是相似的。对丁研发部门，测试要求足确定输出能量、使用寿命和电池组的耐用性。在设计验收阶段，主要任务是优化设计以备大规模生产．以及在不降低效率的情况下降低电堆总成本。对丁生产应用．

要求燃料电池符合规范要求。而在实际使用中，监测电池的寿命和工作状态是非常重要的。好在这些不同的任务对电池测试系统的要求都差不多。

    2．2测试系统的主要特点

    ① 隔离。燃料电池测试系统先要进行各种需要信号调理的测鼍。然后原始信号才能有数据采集系统数字化。大容最电堆具有数百个单电池。从而电压测量要求数白．伏的共模抑制。因此．测试不仅必须具有多个每个通道都能读取l—10V的通道．而且必须保持电堆的每一个和最后一个电池之间高达数百伏的隔离。

    ②数据采集系统必须能够扩展。由于燃料电池测试系统的通道数目可以从100个到1000多个．所以数据采集系统必须能够扩展。并且这些系统也要求可以进行信号的衰减和放大。

    ③模块化。对于今天的测试系统，模块化也是必需的。因为测试系统必须能够随着生产及验证技术的变革而变革。

    ④标定。任何测试系统都应该进行标定以确保测量有效和准确。

    2．3测试的主要性能参数

    燃料电池测试系统需要精确的监测和控制成百上千次测量．范同从燃料和氧化剂的流量、温度、压力和湿度到燃料电池组的输出电压和电流。测试燃料电池的性能是很重要的，而监测影响性能的变量更为重要，但最重要的足控制这些变量参数，安全运行也是至关重要的。所以监测控制的主要参数有：

    (1) 电压。在有负载的情况下，单电池的输出电压会从开路电压的1V左右降到O．6V左右．知道了每个单电池的电压就可以更近的了解电堆的健康情况。如果哪个单电池显示出不同电压，就表明此电池有问题，或者温度不正常，或者电极被淹。测试单电池或电堆的电压就可以正确操作、测试和设计燃料电池。

    (2)电流。输出电流有时候很高，所以通常利用高斯效应来测，这种方法可以不直接使用导线来测试电流，而通过监测信号并按比例转换成电流读数。

    (3)温度。要高效地产生电能。PEMFC必须在60—80℃的范围内工作。监视温度的目的是优化温度的改变以提高输出功率，热电偶和电阻是温度传感器。是监视电池组温度及反应气体温度的良好传感器。

    (4) 湿度。电池单元的每一个膜片必须保持一定的湿度，太干或太湿都会影响燃料电池的工作效率。因此测定和控制燃料电池的湿度非常重要。一种测试湿度的方法是通过电子湿度传感器，根据湿度的大小成比例的输出4—20mA的电流，测试仪器的输入通道可以读入这个电流信号。

    (5)气体压力。在许多应用中，气流压力较大，此压力必须进行监视和管理。压力通过压力传感器进行测量并进行信号调理。

    (6)气体流速。氢气流速一般使用产生正比于气流速率脉冲的质量流量计来测量．然后这些脉冲由计数器／定时器接口板进行监视．并使用软件换算成流量。电子凋节器可通过试验台输出的电压或电流来控制压力和流量。

    (7)负载。可利用可编程负载来改变阻值。改变阻值可利用可控制的GPIB负载设备或通过数字继电器并行连接各个电阻。第一种方法可以安装单独的一个单元通过GPl0来改变加在电堆上的电阻，第二种方法可利用继电器和开关改变阻值。

    2．4燃料电池测试系统基本结构

    燃料电池测试系统由硬件和软件两大块组成。硬件部分主要有控制器，传感器和加载装置；控制器主要基于计算机控制．这种方法充分发挥了计算机的优势：速度快，记忆能力强大和可升级。软件要易于升级并极具灵活性，用户界面友好．用户可很容易地进行各种复杂程度的编程及实验。表l列出了燃料电池测试系统基本结构单元。

            

    3．结论

    T 程师们不断将新方法应用到燃料电池的测试中．不断寻求可靠、精确及灵活的测试系统来辅助缩短开发周期、提高燃料电池质量和降低成本。以开发出下一代燃料电池。凭借着燃料电池发展冈环境、政府和消费者的压力而增加，加之政府的巨大投资，燃料电池测试系统的开发和应用定会取得更大进展。

    参考文献：

    [1]何仁．燃料电池汽车研究现状及发展前景[J]．汽车工业研究，200l，(2)：l一2．

    [2]阿布里提．燃料电池汽车(FCEV)的现状及开发动向[J]．电工电能新技术，2001，(3)：4—6．

    [3]燃料电池的测试[J]．汽车工程，2002，24(1)：84—87．

    [4]杨靖云．燃料电池测试系统引人注目[J]．电源技术，2004，28(5)：311．

    [5]全国清洁汽车行动信息网．燃料电池汽车——产品知识www．cleanauto．com．cn／felllei，mnliaodi釉chi，ch加pi舷hi8Windex．h“n．

    [6]杨靖云．燃料电池测试系统引人注目[J]．电源技术，2004。28(5)：311．