燃料电池应用手册(横河)JAPAN.doc

FUEL CELL APPLICATION HANDBOOK燃料电池应用手册PERFORMANCE TESTING AND DESIGN VALIDATION性能测试和设计的验证概述:燃料电池工业正在向技术的商业化阶段迈进研究、设计、检测仪表的配置以及燃料电池性能的测试是在该领域获得进步的核心问题从各种电池化学原理的研究和监测，到模块或电堆水平的设计验证，直至系统及生产测试， 燃料电池的测试正面临着独特的挑战这本手册介绍了典型的燃料电池试验步骤和试验装置的总体结构燃料电池电堆的测试功率的调节逆变器电堆输出的电能空气供应设备废热回收系统空气重整器热水燃料的储存、供应和处理目录:1. 燃料电池系统概述 12. 电池单元电压的监控 (CVM) 23. 电堆应力测试 44. 温度分布检测 65. 过程控制和监控 76. 用电化学阻抗频谱法进行阻抗测试 107. 用电流中断法进行阻抗测试 128. 用PZ4000数字功率分析仪进行逆变器测试和功率分析 139. 用WT1600数字功率分析仪进行逆变器测试 1510. 用WT2030数字功率分析仪进行逆变器测试 16应用说明燃料电池单元的电压监控（CVM）应用:从地计 Vmax＝600Vrms/Vdc模块（n/10）模块间最大隔离电压Vmax＝600Vrms/Vdc模块 1由于单一电池单元所产生的电压在0.8-1.5VDC范围内, 必须将电池单元串联成电堆才能发出足够的电能。

一个典型的燃料电池电堆大约由100个燃料电池单元串联构成但是，通常不会制造600个电池单元串联的电堆，特 别是在用于汽车的燃料电池电堆领域一个燃料电池单元电压监控仪（CVM）用于测量布置成电堆形式发电装置 中的每一个电池单元的电压采用这种测量方法可以成电堆中识别出有问题的电池单元，对现场使用或带负荷运 行的电堆进行电池单元长期运行特性的表征采用差分测量方法来测量每一个电池单元的电压电池单元本身的电压很低，对于仪器的内部地线，每个差分输 入的引线脚上实际上可以测得数百伏特的电压这种情况被称为共模电压大多数数据采集系统（DAQ）没有进 行隔离，因此输入电压受到限制，以免插卡被永久性地损坏，通常仅为5-10V此外，非隔离的设备常常怀会受 到接地回路的影响为了克服在燃料电池单元电压监控仪有可能遇到的共模电压高的困难，就需要一种高电压隔 离栅由于内部的信号调理或缓冲器由第三方供应，目前许多数据采集系统（DAQ）带有外部缓冲器，这样不仅 缩小了包装的空间和成本，还能够维持尽可能高的信号分辨率和精度解决的方法:与当今流行的任何固态器件数据采集系统相比，MX-100型数据采集仪能提供最高水平的通道-地线、模块-模块、 通道-通道的隔离。

由于其采用了模块结构以及标准的软件，用MX-100就可以容易地监控成百上千个燃料电池单元的电压MX100DAQMaster应用说明燃料电池单元的电压监控（续）解决方法:要使通道数高的数据采集系统达到高电压隔离的要求在设计上是一种挑战，因为，大多数数据采集模块只使用一个带多路转换开关或扫描前端器件的A-D，因此，高共模电压的信号在由隔离变压器和A-D转换器进行隔离和模数转换前，首先要通过开关继电器MX1400采用了一种申请了专利的 Yokogawa 固态继电器（SSR）技术， 允许连续负载电压达到 1500VDC 此外， MX-100 配备的隔离变压器和 A-D 转换器也采用申请有专利的Yokogawa设计其它数据采集系统所提供的高电压隔离是采用电子—机械继电器，这种结构存在开关反跳、整定时间长和需要经常维护等问题测量时闭合总之，MX100数据采集仪提供了空前的隔离能力和操作特性，其标准模块带有可以同时采样的四个采样通道， 各通道之间相互隔离600V(D)600V(D)250V(B)600V(B)A/D转换器顺序控制器(ASIC)主控制模块250V(D)250V(B)A/D转换器600V(D)金属框架AI-H04 模块接地机箱应用说明电堆应力分析应用:当采用相对简单的机械结构将燃料电池单元连接成电堆时，制造公差尺寸上的细微变化均会严重地影响到电堆的 操作特性。

通常用螺栓来紧固和压紧电堆作用在每一个螺栓上的压力会影响到电堆的电化学过程，从而影响到 电堆的电压输出为了对电堆的应力与电堆或电池单元的电压的关系进行测试和调节，首先需要对应力作定量的测定在机电一体 化和消费类产品测试中广泛使用应力传感器它是一种韦斯顿电桥，可以是四臂、两臂或一臂为测量臂的形式 在两臂或一臂为测量臂的应用场合，桥路的其它臂为高精度的电阻完整的四臂桥路需要电压激励此外，所测 量的信号值通常仅为几个毫伏，所以为了能够高精度的显示应力的大小，需要对信号进行适当的放大和滤波末端回路电阻栅韦斯顿电桥电路O/P有效栅长定位标志E末端回路E衬垫和封装焊接接点O/P测量桥路应变片传感器解决的方法:WE7000是一种网络式、模块化的数据采集系统，能通过一台微机进行高精度的测量和控制采用WE7245应 力计测量模块，系统就可以容易地检测或分析从四个通道至上百个通道的应力计的应力分布信号应用说明电堆应力分析（续）应力测定的特点:• 采样速度100 kS/sec, 同时对各通道进行采样（各 • 各通道间完全隔离完全消除了接地回路和共模电压通道有独立的A/D转换器）， 的影响，• 支持单一测量臂，双臂或四臂测量臂桥路设计，• 自动平衡和分支路校正，• 120 Ohm, 350 Ohm, 或定制的电桥测量头，• 激励电压: 各通道可以在 2V, 5V 或 10V之间选择。

• 向PC发送连续的数据流，还可以选用每通道最高到 一百万个采样值的模块寄存器• 内置消除噪声的硬件低通滤波器• 每个通道都可以重新设置成电压输入通道，而不仅仅 是应力信号通道应用说明电堆的温度分布测定应用:不管采用何种燃料电池（质子交换膜燃料电池（PEM），固体氧化物燃料电池（SOFC）等），为了优化电堆的 性能和避免过热，最为关键的是热能的和监控和管理因此温度的测量贯穿到整个燃料电池系统，从电堆本身的 温度到所供气体的温度，还包括重整器、逆变器的温度，在某些情况下还可能包括联合发电的其它部件因此，所采用的热电偶或电阻温度传感器（RTD）的通道数常常会达到数百个所以，一种紧凑的、模块化的和 可以重新设置的数据采集系统才是最为理想的测量工具此外，用热电偶测量燃料电池温度和逆变器输出的温度， 和电池单元的电压监控（ CVM）一样，也存在共模电压高的问题，为了避免仪器的损坏，同样也必须采取必要的预防措施对于燃料电池的测试而言，由于热电偶成本低廉和需要检测的通道数较多，通常选择热电偶，而不选择电阻温度传感器（RTD）同时应当说明，不同数据采集系统的热电偶测量误差可能不同，从 ± 0.5°C 到 ± 5°C 或更高。

解决的方法:MX100 DAQ Master 数据采集系统适合于各种输入信号，是专门为各种分度号热电偶而设计的每个模块有 10个通道，通过增加模块的数量可以很容易地达到将测量系统扩大到成百上千个通道，可以用一台 PC 通过以太网（Ethernet）监控所有的模块温度测量的特点:• 支持的热电偶分度号包括：R, S, B, K, E, J, T, L,• RTD 测量时使用 1mA 或 2mA 激励电流，U, N, W, KpvsAu7Fe， • 支持以下分度号的电阻温度检测器(RTD)：• 带冷端补偿， Pt100, JPt100, Hi-res Pt100, Hi-res ，JPt100,• 自动检测热电偶开路/烧毁， Ni100SAMA, Ni100DIN, Ni120, Pt50, Cu10GE,• 支持远程参考接点补偿（RJC），• 测量分辨率为0.1°CCu10L&N, Cu10WEED, Cu10BAILEY, J263B应用说明过程控制和监测应用:温水贮槽空气供应装置空气质子膜燃料电池氢气排出的热量凝结水燃料处理装置城市燃气废热回收装置温水直流电 逆变器交流电燃料电池测试站的核心部分就是一个过程控制和监测系统。

这些控制 I/O信集中送如一台PC机，以这台PC机为测试仪的主要用户界面鉴于燃料电池系统和测试仪有不同的结构，因此，通道数和传感器的布置会有很大的变 化但是主要感兴趣的信号几乎是一样的：用热电偶或RTD测试温度，压力，湿度，流量，以及数字I/O信号• 重整器：催化剂温度• 空气：压力, 温度, 湿度, 流量• 电池单元：电压, 温度, 气体流量• 热水流量• 废热回收系统: 压力, 温度，流量• 逆变器系统：温度，冷却风流量• 供应：压力，温度，流量:构筑最好的控制I/O系统的基本要求包括：a) 带有测量接点的分布式体系结构；b) 配备有各种各样可以重新设置的输入和输出；c) 具有在网络和PC发生故障时能避免数据损失和中断的故障保护机制； d) 充分支持软件自动化解决的方法:MX100 DAQMaster 是专门为通过以太网进行控制而设计的通过一台 PC 机，一个 MX100 主模块加上一块后板（可以配备 60 个通道）通过点对点的连接就可以实现数采和控制此外，在一个单一的分布式系统中，采用同一个独立软件最多可以监控二十块MX100背板（可以配置1200个通 道）通过使用可编程语言，诸如Visual Basic 或 C/C++， 可以实现通道数更多的系统。

应用说明过程控制和监测（续）通用型输入通道电压热电偶激励电流数字量输入解决方法:它由于燃料电池测试系统是定制的，信号的类型和通道数会有很大的变化即便针对同一个燃料电池系统，随着 设计的改进和优化，控制I/O也会发生变动虽然许多数据采集系统也具有模块化的体系结构，对于各种传感器类型要求有特定的模块相配合；而MX100为所有的输入通道提供了通用的输入也就是说，可以一个通道一个通道地重新设置输入，可以分别设置成电压、 热电偶、RTD ，甚至设置为数字量输入而且，没一个MX100型背板可以独立管理最多达三个不同的硬件扫描组这就在分离快控制I/O参数（压力、湿 度和流量）和慢控制I/O信号（环境温度，直流电压电平等）带来了极大的灵活性应用说明过程控制和监测（续）通过插入CF闪存卡技术，MX100能提供最好的数据完整性当计算机出现 崩溃或网络出现故障时，Mx100会自动地将采集到的数据从存入PC硬件。