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)

摘要：本文系统介绍了国内外燃料电池测试系统的研究现状及发展水平．测试系统的基本理论。从测试目的、主要参数、系统的基本特点和基本构成等方面进行了归纳。通过本文所列出的各种数据不难看出燃料电池测试技术对于缩短燃料电池研发周期。提高质量和降低成本具有重要意义。

关键词：燃料电池  测试系统  性能参数

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：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。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行评估，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。