一种PEM燃料电池测试系统的设计(1)

    质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）是一种以全氟磺酸型固体聚合物为电解质膜，氢气或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板的发电装置，如图1所示。PEMFC除具有燃料电池的一般特点（如能量转化效率高、环境友好等）之外，同时还具有可在室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、能量密度高等突出特点。它不仅可用于建设分布式电站，也特别适宜于用作可移动动力源，是移动通讯设备、电动车和不依靠空气推进潜艇的理想电源^[1]。由于PEMFC发电系统是一个涉及电化学、流体力学、热力学、电工学等多种学科的复合系统，它在运行过程中需要调节和控制的参数多而复杂。因此，为其提供稳定可靠的测试与控制平台在PEMFC的研制、开发以及性能测试中具有一定的现实意义。本文将详细介绍一种采用ADLINKTECH的PCI-9112、PCI-6208V数据采集卡结合LabVIEW开发的PEM燃料电池测试系统。

图1 PEMFC燃料电池原理图

    PEM燃料电池测试系统主要是为PEMFC提供一个工作和测试平台，它主要的工作是：1）实时监测并显示燃料电池运行过程中的各种参数和工作状态，包括燃料气与氧化剂气体的流量、压力、温度，电池电堆的温度、放电电压、电流等；2）通过对各运行参数的采集分析，采用各种控制方法实时调节和控制燃料电池的工作状态，确保电池电堆连续稳定的工作，需要控制的参数包括燃料气与氧化剂气体的流量、入口温度和露点温度、尾气的排放等；3）解决燃料电池运行中出现的氢气泄漏、电池电压异常、电池温度异常、气体失压或超压等异常情况，配合手动关断功能以及主控软件使整个测试系统安全稳定的运行；4）实时记录燃料电池工作过程中的各种参数，并图形化显示重要参数的变化曲线，以此分析燃料电池的工作特性。

    在该测试系统的硬件结构设计上,采用了模块化的设计思想，依据各模块所实现的功能将整个硬件部分划分为6个模块，分别是：配气单元、气体加湿单元、电子负载单元、硬件联锁保护单元、数据采集单元以及反馈控制单元，硬件组成结构如图2所示。

图2 测试系统硬件结构框图

    从图中可以看出，配气单元主要完成对反应气体以及保护气体的配送管理，在设计时加入质量流量控制计来实现对气体流量的采集与控制；气体加湿单元完成对反应气体的湿度和温度管理，其核心部件为露点加湿器；电子负载单元完成对燃料电池电堆的放电管理；硬件联锁单元完成对整个系统的安全控制，这是本测试系统研究的一个重点；数据采集单元完成对系统中各传感器、控制器的数据采集；反馈控制单元则在对各数据分析后通过PCI总线发送控制信号至控制卡以控制硬件联锁保护单元、配气单元和加湿单元的正常运行，而同时通过RS485总线，实现对电子负载工作状态、工作参数的实时采集和控制。

    硬件联锁是相关联硬件之间串行或并行的组合，系统的硬件联锁保护是为系统硬件的正常运行提供安全保护。针对燃料电池的运行方式与工作特性，本测试系统采用了如图3所示的硬件联锁保护设计，即分别提供了数据采集卡工作状态检测、反应气体与保护气体压力状态检测、手动紧急开关设置状态检测以及氢气泄漏监测的保护措施。其中，对于系统安全最为重要的氢气泄漏问题，在设计中采用了高灵敏度的MST Hydrogen Sensor Switch以提高反应速度，并设计了独立的保护电路以确保监测的实时性与可靠性。

    在整个测试系统开始运行或运行过程中，当出现电池电压异常、电池温度异常、负荷装置过载、扩散器水位异常、系统内部异常过热、气体供给失压或超压、氢气泄漏等情况时，硬件联锁保护都能立即切断反应物供给通道，紧急吹入氮气清洗燃料电池，使反应立刻停止，并通过声光进行报警。同时通过手动紧急开关功能的设置，工程师可以随时手动停止燃料电池的工作。

图3 硬件联锁保护逻辑图

    整个测试系统的核心是基于PCI总线的数据采集与反馈控制。在该测试系统需要采集模拟量共有13路，其中热电耦的温度模块有7路电流信号，气体压力有2路电流信号，气体流量有2路电压信号，电池电压与电流采集则各有1路。在设计中，压力传感器采用了高精度的DC1300-DF型压力变送器，测试精度为0.5%，流量计采用D07-9C质量流量控制计，测试精度1%，控制精度1.5%。系统的模拟量输出共有6路，分别为可控硅的温度模块4路、流量计控制输出2路。而本测试系统的数字采集和控制量是跟系统安全运行相关的一些重要参数，包括供气系统各环节中的水位、各电磁阀的关断、氢气泄露监测等信号。根据以上采集与控制量的分析，在本系统的设计中采用了ADLINKTECH的PCI-9112、PCI-6208V数据采集控制卡：

    1）PCI-9112主要用于模拟量的采集、数字量的采集和控制。它是12位110KHz采样率多功能数据采集卡，具有16路单端或8路差分模拟输入通道、