燃料電池測試系統研發現狀介紹

摘要： 本文系統介紹了國內外燃料電池測試系統的研究現狀及發展水平，測試系統的基本理論。從測試目的、主要參數、系統的基本特點和基本構成等方面進行了歸納。通過本文所列出的各種數據不難看出燃料電池測試技術對于縮短燃料電池研發周期，提高質量和降低成本具有重要意義。

關鍵詞： 燃料電池 測試系統 性能參數

隨著全球對能源需求的增長及人類對環境要求的提高，各個國家對燃料電池的研究和開發日益增多。燃料電池是最有希望為汽車和居民提供清潔高效能源的技術之一。燃料電池發動機被認為是最有希望取代內燃機的新型能源動力系統［１］，［２］。燃料電池測試系統不僅在燃料電池系統的研發階段十分重要，即使是在其投入使用之后對于維持電池的正常工作也是不可或缺的［３］。強大的測試能力能夠提供對燃料電池可靠的監控，提供靈活的結構，具備了這種能力，科學界能夠很方便地設計他們的系統，以跟蹤燃料電池技術進步［４］。

1.國內外燃料電池測試系統整體研究現狀及水平

由于燃料電池還處于開發階段，汽車工業還沒有制定燃料電池的標準測試儀器，更談不上統一規范的測試儀器供應商。許多公司開始走近這項挑戰，研究準確測試燃料電池的解決方案。這些公司中最引人注目的是美國的Hydrogenics公司和美國國家儀器公司（National Instruments，簡稱NI），它們推出了一些軟硬件測試產品，能夠兼容多種燃料電池，測得幾乎所有設計指標［５］。Hydrogenics的Greenlight公司是世界上最大的燃料電池測試系統生產基地，它是燃料電池工業測試診斷設備引領全球的供應商。NI是全球基于計算機測量的領導者，許多領先的燃料電池制造商都在開發的各個階段使用NI硬件及軟件工具來測試燃料電池。

在整個電池行業研發出燃料電池測試系統的公司屈指可數，且在2004年之前均為國外廠家［６］。為使研發燃料電池的專家能利用測量、控制、分析及可視化工具進行評估，武漢力興測試設備有限公司緊跟世界燃料電池的最前沿技術，自主開發出具有國內領先水平的燃料電池測試系統，并于2004年一月推出國內首臺燃料電池測試系統，該系統的推出填補了我國在燃料電池測試領域的空白，在推廣國內燃料電池產業發展的里程碑上有著非同尋常的意義。

2.燃料電池測試系統的基本理論

2.1測試目的

雖然研究、開發、制造和應用部門的總目標各有不同，它們對于燃料電池的檢測和監視項目要求卻是相似的。對于研發部門，測試要求是確定輸出能量、使用壽命和電池組的耐用性。在設計驗收階段，主要任務是優化設計以備大規模生產，以及在不降低效率的情況下降低電堆總成本。對于生產應用，要求燃料電池符合規范要求。而在實際使用中，監測電池的壽命和工作狀態是非常重要的。好在這些不同的任務對電池測試系統的要求都差不多。

2.2測試系統的主要特點

①隔離。燃料電池測試系統先要進行各種需要信號調理的測量，然后原始信號才能有數據采集系統數字化。大容量電堆具有數百個單電池，從而電壓測量要求數百伏的共模抑制。因此，測試不僅必須具有多個每個通道都能讀取1-10V的通道，而且必須保持電堆的每一個和最后一個電池之間高達數百伏的隔離。

②數據采集系統必須能夠擴展。由于燃料電池測試系統的通道數目可以從100個到1000多個，所以數據采集系統必須能夠擴展，并且這些系統也要求可以進行信號的衰減和放大。

③模塊化。對于今天的測試系統，模塊化也是必需的。因為測試系統必須能夠隨著生產及驗證技術的變革而變革。

④標定。任何測試系統都應該進行標定以確保測量有效和準確。

2.3測試的主要性能參數

燃料電池測試系統需要精確的監測和控制成百上千次測量，范圍從燃料和氧化劑的流量、溫度、壓力和濕度到燃料電池組的輸出電壓和電流。測試燃料電池的性能是很重要的，而監測影響性能的變量更為重要，但最重要的是控制這些變量參數，安全運行也是至關重要的。所以監測控制的主要參數有：

（1）電壓。在有負載的情況下，單電池的輸出電壓會從開路電壓的1V左右降到0.6V左右，知道了每個單電池的電壓就可以更近的了解電堆的健康情況。如果哪個單電池顯示出不同電壓，就表明此電池有問題，或者溫度不正常，或者電極被淹。測試單電池或電堆的電壓就可以正確操作、測試和設計燃料電池。

（2）電流。輸出電流有時候很高，所以通常利用高斯效應來測，這種方法可以不直接使用導線來測試電流，而通過監測信號并按比例轉換成電流讀數。

（3）溫度。要高效地產生電能，PEMFC必須在60-80℃的范圍內工作，監視溫度的目的是優化溫度的改變以提高輸出功率，熱電偶和電阻是溫度傳感器，是監視電池組溫度及反應氣體溫度的良好傳感器。

（4）濕度。電池單元的每一個膜片必須保持一定的濕度，太干或太濕都會影響燃料電池的工作效率。因此測定和控制燃料電池的濕度非常重要。一種測試濕度的方法是通過電子濕度傳感器，根據濕度的大小成比例的輸出4-20mA的電流，測試儀器的輸入通道可以讀入這個電流信號。

（5）氣體壓力。在許多應用中，氣流壓力較大，此壓力必須進行監視和管理。壓力通過壓力傳感器進行測量并進行信號調理。

（6）氣體流速。氫氣流速一般使用產生正比于氣流速率脈沖的質量流量計來測量，然后這些脈沖由計數器/定時器接口板進行監視，并使用軟件換算成流量。電子調節器可通過試驗臺輸出的電壓或電流來控制壓力和流量。

（7）負載。可利用可編程負載來改變阻值，改變阻值可利用可控制的GPIB負載設備或通過數字繼電器并行連接各個電阻。第一種方法可以安裝單獨的一個單元通過GPIO來改變加在電堆上的電阻，第二種方法可利用繼電器和開關改變阻值。

2.4燃料電池測試系統基本結構

燃料電池測試系統由硬件和軟件兩大塊組成。硬件部分主要有控制器，傳感器和加載裝置；控制器主要基于計算機控制，這種方法充分發揮了計算機的優勢：速度快，記憶能力強大和可升級。軟件要易于升級并極具靈活性，用戶界面友好，用戶可很容易地進行各種復雜程度的編程及實驗。表1列出了燃料電池測試系統基本結構單元。

3.結論

工程師們不斷將新方法應用到燃料電池的測試中，不斷尋求可靠、精確及靈活的測試系統來輔助縮短開發周期、提高燃料電池質量和降低成本，以開發出下一代燃料電池。憑借著燃料電池發展因環境、政府和消費者的壓力而增加，加之政府的巨大投資，燃料電池測試系統的開發和應用定會取得更大進展。

參考文獻：

［1］何仁.燃料電池汽車研究現狀及發展前景［J］.汽車工業研究，2001，（2）：1-2.

［2］阿布里提.燃料電池汽車（FCEV）的現狀及開發動向［J］.電工電能新技術，2001，（3）：4-6.

［3］燃料電池的測試［J］.汽車工程，2002，24（1）：84-87.

［4］楊靖云.燃料電池測試系統引人注目［J］.電源技術，2004，28（5）：311.

［5］全國清潔汽車行動信息網.燃料電池汽車——產品知識www. cleanauto. com. cn / fenlei / ranliaodianchi / chanpinzhishi/index.htm.

［6］楊靖云.燃料電池測試系統引人注目［J］.電源技術，2004，28（5）：311.