专利名称：Pem燃料电池综合测试分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于测试仪器，具体是PEM燃料电池综合测试分析仪。
背景技术：
近年来，随着能源供求矛盾的日益尖锐以及环境污染问题的日益严重，世界各国对于高效、清洁的新型产能装置的渴望与需求越来越迫切。质子交换膜燃料电池(ProtonExchange 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。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。正成为未来电能一个非常高效、清洁的来源。因此世界许多国家投入大量人力物力进行研究开发。PEMFC系统通常有以下5部分组成。(I)电池组，它是整个电池系统的心脏，它把燃料的化学能转换为电能向外输出送给负载；(2)氢气与氧气供给系统，该系统是向电池提供燃料和氧化剂，同时循环回收反映未完全的气体；(3)水热管理系统，该系统主要是保证电池内部的水/热平衡状态，控制燃料电池温度与适度在一个合适的范围中，使燃料电池具有最高的电能转换效率；(4)输出电能的调整分配管理系统包括支流电压的稳定、过载保护和对交流用户需要的直流变交流的分系统；(5)自动控制系统，对整个燃料电池系统的参数进行检测、调整与控制，确保电池系统稳定或靠的运行。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非常多，一般需要控制的参数有温度、湿度、内部压力、反应气体流速和反应气体纯度，而且各个参数间又有着复杂的联系。因此，为其提供稳定可靠的测试、分析与控制平台，在PEMFC的研制、开发以及性能测试中具有一定的现实意义。燃料电池的测试系统通常是由4部分组成的，分别是传感器、数据采集系统、电气负载以及控制算法与软件。(I)传感器在燃料电池测试系统中，需要测量许多不同的物理量，因而需要大量的传感器。同时由于燃料电池涉及复杂的物理化学反映，工作条件比较苛亥IJ，所以它对于传感器的要求也很高，因而对传感器的选择是这个部分的关键。(2)数据采集系统燃料电池测试系统，需要采集大量的数据。一般信号经过传感器以后，输出的都是标准的电信号，如果不是标准的电信号则需要对输出进行预处理。由于燃料电池系统中涉及到的测量数据非常多，所以对大量测试数据进行处理与传输是这一部分的关键。(3)电气负载电气负载是在对燃料电池进行交流阻抗测试中使用的设备，通过阻抗测试实验，一方面可以确定燃料电池系统中的运动阻力、系统的欧姆电阻以及反应物的传输极限。另一方面可以测试燃料系统中集电器、多孔渗水电极、接触反应层和薄膜是否安装正确。电气负载可以以数字的形式表示电流、电压，然后将这些数据输出，便于对燃料电池的性能进行分析。(4)控制算法与软件测试系统中，需要有一台功能强大的数据分析设备，它接收测试系统中的各种数据，进行分析，并将分析得到的结果进行图形化的显示，直观的对燃料电池测试的结果进行输出，同时为了提高燃料电池的测试效率，需要研究开发一种高效准确的控制算法。本课题在对PEM燃料电池的工作状态、性能进行研究测试，建立燃料电池运行模型的基础上，结合电子技术和计算机控制技术，对燃料电池测试系统上述4个部分进行分析与研究，设计一种智能化的燃料电池测试分析系统。课题研究的成果将填补国内燃料电池智能测试仪器的空白，结束我国依赖进口高昂燃料电池测试设备的局面，推动PEM燃料电池新能源技术在我省的应用和推广，使杭州成为我国燃料电池研究、应用开发、产业化的基地，对提升杭州生活品质、促进经济和社会发展有重要意义。在燃料电池分析测试仪研究开发方面，欧美走在前列。 美国国家仪器，简称NI研制了基于计算机的测试测量仪器来辅助科学家及工程师进行燃料电池的研究、设计、验证及生产测试。各种不同型号的测试仪可适用于质子交换膜(PEM)、磷酸型燃料电池(PAFC)和固体氧化物型燃料电池(SOFC)等类型的燃料电池生产及测试。现在主流的燃料电池测试仪器不仅可以实现对燃料电池发动机的电堆和各辅助部件进行测试，同时还可以对燃料电池发动机的性能、控制算法等进行综合评价，为燃料电池的研究提供了充分的支持。加拿大Advanced Measurements公司作为NI的系统集成商使用NI产品开发出了多种PEM和SOFC燃料电池测试系统，用于设计、验证和产品测试。法国Bio-Logic和Paxitech公司设计了 FCT-150型燃料电池测试仪,是紧凑型全电脑控制的测试仪。此设备通过使用以太网连接整合了程序化的电子负载、燃料、电压和温度控制、数据获取和通讯控制。以太网通讯可以使FCT安装在当地区域的网络上，并且提供了 FCT监控软件(FC-Lab )，在几个项目栏界面中提供了燃料电池测试的所有控制和功能。软件同时具有绘图功能，提供了与每次测量或控制改变相关的性能变化实时显示。韩国推出了 MARTII系列PEM/DM燃料电池测试系统可以测量PEM/DM燃料电池的各种指标，例如湿度、温度、气流、电压和电流等参数，并且可以对测试环境进行控制。控制和测试软件具有较好的图形化用户界面。国内的武汉力兴电源设计了国内首台燃料电池测试仪，可对压力、温度、湿度等参数进行测量和监控，但需要外加电子负载，软件控制界面不太丰富，使用起来非常不便，对压力、温度、湿度等参数智能进行测量和简单控制，不能。此外，中科院大化所、武汉理工大学、同济大学等国内燃料电池研究领先的院所，采用的燃料电池测试仪器几乎都是昂贵的进口产品，国内燃料电池分析测试仪器领域几乎处理空白状态，这大大影响了国内燃料电池研究的开展，因而进行本课题的研究工作是十分有必要，也是十分有意义的。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种PEM燃料电池综合测试分析仪以分析PEM燃料电池的工作特性。为实现上述目的，本实用新型的PEM燃料电池综合测试分析仪，其特征是包括数据采集�？�、控制�？�、测量分析控制单元、用于对燃料电池电堆的放电管理的电子负载、PC机、LCD显示器，所述的数据采集�？橛糜诓杉疨EM燃料电池、电子负载的数据并传输给所述的测量分析控制单元，所述的测量分析控制单元对各数据分析后对电子负载的工作状态、工作参数实时采集和控制并发送控制信号给所述的控制�？槎訮EM燃料电池的工作状态、工作参数实时采集和控制，所述的LCD显示器连接在所述的测量分析控制单元上用于显示信息，所述的测量分析控制单元通过USB接口连接至所述的PC机。作为优选技术手段，所述的数据采集�？橥ü缪勾衅�、流量传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器对PEM燃料电池的数据进行采集。作为优选技术手段，所述的控制�？橥ü淦ピ⒓邮ピ�、联锁保护单元对PEM燃料电池、电子负载的工作状态、工作参数实时采集和控制，所述的配气单元用于对反应气体以及保护气体的配送管理，所述的加湿单元用于对反应气体的湿度和温度进行管理，所述的联锁保护单元用于完成对整个系统的安全控制。作为优选技术手段，所述的测量分析控制单元通过PCI总线发送控制信号至所述的控制�？椋龅牟饬糠治隹刂频ピü齊S485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。本实用新型的有益效果是I)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。
图I是本实用新型PEM燃料电池综合测试分析仪的总体框图；图2是本实用新型PEM燃料电池综合测试分析仪的硬件组成结构关系图；图3是本实用新型的联锁保护单元流程图；图4是本实用新型的测试系统软件流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本实用新型做进一步说明。本实用新型的PEM燃料电池综合测试分析仪，如图I所示，其包括数据采集�？�、控制�？�、测量分析控制单元、用于对燃料电池电堆的放电管理的电子负载、PC机、LCD显示器，数据采集�？橛糜诓杉疨EM燃料电池、电子负载的数据并传输给测量分析控制单元，测量分析控制单元对各数据分析后对电子负载的工作状态、工作参数实时采集和控制并发送控制信号给控制模块对PEM燃料电池的工作状态、工作参数实时采集和控制，LCD显示器连接在测量分析控制单元上用于显示信息，测量分析控制单元通过USB接口连接至PC机。具体的，数据采集�？橥ü缪勾衅�、流量传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器对PEM燃料电池的数据进行采集(参见图2)。控制�？橥ü淦ピ�、加湿单元、联锁保护单元对PEM燃料电池、电子负载的工作状态、工作参数实时采集和控制(参见图2)，配气单元用于对反应气体以及保护气体的配送管理，加湿单元(核心部件可为露点加湿器)用于对反应气体的湿度和温度进行管理，联锁保护单元用于完成对整个系统的安全控制。测量分析控制单元通过PCI总线发送控制信号至控制�？椋饬糠治隹刂频ピü齊S485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。联锁保护单元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 SensorSwitch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。燃料电池在工作时需要提供氢气作为反应气体，因此需要控制其流量与压力，质子交换膜的湿度、电池工作时产生的热量与水也应进行合理的控制，以控制电池的工作状态，因此，其通过下述控制技术与控制方式，自动调节电池的工作状态，实现燃料电池运行时的智能控制其由信号检测电路、信号预处理电路、嵌入式系统控制单元、LCD显示�？�、DC/DC�？�、执行电路等几部分组成。信号检测与提取电路包括压力、流量信号的提取、温度信号的提取、燃料电池电压电流信号的提�。藕糯淼缏钒ǘ源衅餍藕诺拇碛氡浠唬度胧较低惩瓿伤惴ù恚琁XD显示电动车和燃料电池的状态信息，包括燃料电池的输出电压/电流和工作温度等。执行电路用来控制燃料电池的供氢阀门、供氧风扇运转等。另外预留串行接口和存储器单元，串行接口可将电池信息通过串行接口传输至PC，存储器用于存储燃料电池的运行记录。整个测试系统的核心是基于嵌入式系统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�？橛�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I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I. 5%。系统的模拟量输出共有6路，分别为可控硅的温度�？�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DPCI-9112主要用于模拟量的采集、数字量的采集和控制。它是12位IlOKHz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、16路TTL数字输入和16路TTL数字输出通道、2路12位多路切换模拟输出通道、I通道16位通用定时/计数器、3种触发方式、可编程增益控制。2)PCI-6208V主要用于模拟量的控制。它是16位8通道模拟量输出控制卡，输出范围±10V,输出范围可编程。由于本测试系统中的数字量为24V，模拟量输入有9路为电流信号，所以由PCI-9112数据采集卡配合端子板ACLD-9182 (16通道隔离数字输入)、ACLD_9138 (16通道模拟量输入)来完成系统的输入要求。而输出方面，PCI-9112的8路数字量输出通过端子板ACLD-9185 (16通道继电器输出)实现系统对数字量的控制，PCI-6208V的6路模拟量输出则通过端子板ACLD-9137 (8通道模拟量输出)实现系统对模拟量的控制要求。在本测试系统的整个软件设计过程中采用面向流程的程序设计思想和�？榛某绦蚪峁梗馐韵低车娜砑诮峁股戏治鞒碳嗖饽？椤⒖刂颇？楹头治瞿？�、安全监测 模块4个部分，软件的总体流程如图4所示。测试系统的控制软件部分采用NI的仪器专用开发平台LabVIEW开发。LabVIEff是基于流程图的图形化编程方式，因此被称为G语言。与传统语言相比，LabVIEW编程简单、易于理解，而且它针对数据采集、仪器控制、信号分析提供了丰富完善的功能图标，供用户直接调用，免去了用户直接编写程序的繁琐。利用LabVIEW能在很大程度上缩短开发时间，并能提高测试系统的水平和系统的集成化。ADLINKTECH也为其数据采集卡提供了完整的LabVIEW驱动程序DAQ-LVIEW PnP，以直接替代NI DAQ VIs,通过它用户可以直接在LabVIEW平台下进行各种方式的数据开发。控制程序实现对系统运行中的保护参数、主控参数以及电子负载参数的实时控制，通过设计的用户界面，用户可以随时改变这些相关参数。保护参数部分主要是电堆温度、极板温度以及气体压力等安全值的设置。控制参数部分主要是燃料电池阴阳极流量、入口温度以及加湿器露点温度的设置，其中对于入口温度和露点温度的控制还可以调节燃料电池反应气的相对湿度。考虑到露点加湿器的温度控制具有大滞后和非线性的特点，采用了积分分离PID控制算法进行参数整定。以上两类参数的控制都是通过PCI总线与数据采集卡的通信来实现，而电子负载的参数控制则是通过RS485总线来实现的。本测试系统中电子负载的基本通信模式参数为115200、n、8、l，也就是波特率115200bps，端口数据位为8，无奇偶校验，停止位为I。串口的数据传输采用数据包结构A N Dl….DN C /A，其中A为通信地址，N为数据包中数据的个数，Dl….DN为数据包中的数据，C为校验和，即(A，N，Dl….DN)数据累加，/A为地址反码，也就是数据包的结束符。测试系统可以对电子负载进行参数控制，使燃料电池以设定的工作模式进行放电，并进行实时结果的数据采集。流程监测程序实时的显示燃料电池运行中的各类参数，包括反应气的压力、流量、加湿器温度、电池极板和电堆温度等，并负责实时监测所有控制电磁阀的状态、水箱水位状态、电子负载的运行状态，以便在发生异常情况时能及时在面板中提示用户。在该程序面板中还设有功能键，分别控制电子负载和整个测试系统的运行。分析程序则对实验的数据文件进行数据分析，用户通过查询记录来搜索需要分析的数据文件，在读取数据文件后通过选取参数，系统可以绘出所选参数的波形曲线，使用户可以直观的观测测试数据，以此分析燃料电池的工作特性。燃料电池系统的供电效率依赖于适当的空气和氢气供给率以及热量和水的管理。在瞬态响应期间，要求燃料电池电堆的控制系统维持适当的温度、反应膜的湿度以及穿过反应膜的反应物的压力从而避免电池堆电压的降低、维持燃料电池的高效率以及延长燃料电池堆的寿命。建立一个燃料电池系统动态模型对于理解系统的行为进而进行基于模型的控制系统的分析和设计来说是非常关键的步骤。考虑系统的流量、压力、温度动态模型质量流量控制器(Mass Flow Controller)用于对气体的质量流量进行精密测量和控制，由流量传感器、分流器通道、流量放大电路、调节阀门以及控制电路组成，控制器输出的流量检测电压(0-5V)与流过通道的质量流量成正比。空气质量流量控制器的流量范围为0 — IOOL/Min (需要与质量流量标准单位Kg/s进行单位转换)；氢气质量流量控制器的流量范围为
0- 20L/Min。根据试验所测得的数据利用系统辨识的方法可知控制器的输出流量与控制器的输入电压(0-5V)之间的传输特性为二阶环节与纯滞后环节的串联。其我们将设计燃料电池流量一压力控制系统的控制算法，通过自动和快速地调节阴极和阳极进气流量使电堆的压力保持在合适的数值，同时使空气和氢气的进气流量快速地跟踪系统负载的变化。根据所建立的流量一压力系统模型的特点，阴极侧我们采用一种基于CMAC神经元网络 与PD的并行控制算法实现上述的控制目标，而阳极侧采用普通的数字PID控制算法使阳极侧压力快速地跟踪阴极侧的压力。CMAC(Cerebellar Model Articulation Controller)是一种表达复杂非线性函数的表格查询型自适应神经网络，被认为是一类联想记忆神经网络的重要组成部分，能够学习任意多维非线性映射，比一般神经网络具有更好的非线性逼近能力，更适合与复杂环境下的非线性实时控制。从上面的分析可知，阴极通道的流量一压力模型为一复杂的非线性系统模型，根据这一特点我们将CMAC与PID复合控制算法用于阴极流量一压力系统的控制。该设备可以对燃料电池的电压、电流、燃料(压力和流量)、温度和湿度进行综合分析、控制与测量，可单独直接使用，也可以通过USB端口利用PC控制进行监控、测量，还可以通过以太网获取电池状态数据以及对燃料电池状态进行智能控制，使该设备安装在当地区域的网络上具有远程控制测量功能。该燃料电池测试分析仪设置多个安全保护功能。同时提供易于操作的监控软件，通过丰富的操作界面提供燃料电池测试的所有控制和测量功能，在指定的窗口中软件控制温度、压力和流速，绘图功能提供了与每次测量或控制相关的性能变化的实时显示。
权利要求1.PEM燃料电池综合测试分析仪，其特征是包括数据采集�？�、控制�？�、测量分析控制单元、用于对燃料电池电堆的放电管理的电子负载、PC机、LCD显示器，所述的数据采集�？橛糜诓杉疨EM燃料电池、电子负载的数据并传输给所述的测量分析控制单元，所述的测量分析控制单元对各数据分析后对电子负载的工作状态、工作参数实时采集和控制并发送控制信号给所述的控制�？槎訮EM燃料电池的工作状态、工作参数实时采集和控制，所述的LCD显示器连接在所述的测量分析控制单元上用于显示信息，所述的测量分析控制单元通过USB接口连接至所述的PC机。
2.根据权利要求I所述的PEM燃料电池综合测试分析仪 ，其特征是所述的数据采集�？橥ü缪勾衅�、流量传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器对PEM燃料电池的数据进行采集。
3.根据权利要求I所述的PEM燃料电池综合测试分析仪，其特征是所述的控制�？橥ü淦ピ�、加湿单元、联锁保护单元对PEM燃料电池、电子负载的工作状态、工作参数实时采集和控制，所述的配气单元用于对反应气体以及保护气体的配送管理，所述的加湿单元用于对反应气体的湿度和温度进行管理，所述的联锁保护单元用于完成对整个系统的安全控制。
4.根据权利要求I所述的PEM燃料电池综合测试分析仪，其特征是所述的测量分析控制单元通过PCI总线发送控制信号至所述的控制�？椋龅牟饬糠治隹刂频ピü齊S485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。
专利摘要本实用新型公开了一种PEM燃料电池综合测试分析仪，其包括数据采集�？�、控制�？�、测量分析控制单元、用于对燃料电池电堆的放电管理的电子负载、PC机、LCD显示器，数据采集�？橛糜诓杉疨EM燃料电池、电子负载的数据并传输给测量分析控制单元，测量分析控制单元对各数据分析后对电子负载的工作状态、工作参数实时采集和控制并发送控制信号给控制模块对PEM燃料电池的工作状态、工作参数实时采集和控制，LCD显示器连接在测量分析控制单元上用于显示信息，测量分析控制单元通过USB接口连接至PC机。用于燃料电池的电压、电流、燃料(压力和流量)、温度和湿度进行综合分析、控制与测量。
文档编号G01R31/36GK202501870SQ20122007888
公开日2012年10月24日 申请日期2012年3月5日 优先权日2012年3月5日
发明者肖铎 申请人:永康市奕宝科技有限公司, 浙江大学城市学院, 浙江飞神车业有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
