1． 前言
随着科学技术的发展，人类对于宇宙物质的宏观世界和微观世界的认识不断加深，蕴藏在物质中的无限能源也不断地被开发出来，各种新能源不断出现。

燃料电池作为一种新型能源，有着发电效率高、无污染的优点，同时燃料电池现在造价还比较高，寿命还不够长，功率还比较小。但是，在环境保护和经济发展并重的今天，研制和发展燃料电池有着重大的意义。

2． 燃料电池的基本原理
燃料电池是一种化学电池，由于它的工作物质主要是可燃性气体——氢气，因此它被称为燃料电池。燃料电池是通过电化学反应将化学能直接转化为低压直流电能的装置。燃料电池是由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成。以氢氧燃料电池为例；当阳极和阴极连接负载时，氢在阳极氧化，氧气在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电能而驱动负载工作。燃料电池与一般干电池的不同点是，只要保持燃料供应，电池就会不断工作提供电能。而且电池反应的最终产物仅仅是水，对环境不造成污染。以碳氢化合物作燃料时，反应产物增加少量二氧化碳。

3．燃料电池的测试
　　在研究、开发、制造和应用部门中，不同的部门他们的总目标各有不同，但是，他们对于燃料电池的检测和监视项目要求却是相似的。比如说，对于研发部门，要求测试燃料电池的输出能量、使用寿命和电池组的耐用性；对于产业化研究，主要任务是确定大量燃料电池产品的制备方法和降低燃料电池堆的成本；对于生产应用，要求燃料电池符合汽车设计，航空运用等的要求；而在实际使用中，监测燃料电池的使用寿命和工作状态是至关重要。

在进行燃料电池研究测试时，有许多项目需要进行测试，比如测试燃料电池的电压，输出电流，温度，还要测量和控制电池单元每一个膜片的湿度等。

日本横河电机株式会社（YOKOGAWA）是一个全球著名的工业自动化控制、测量、和信息系统的领导者，她提供的MX100　DAQMASTER为我们提供了详细的燃料电池研究测试方案。

4．电池电压监视 (CVM)
在燃料电池中，每个电池只输出0.8~1.5VDC的电压，为了输出足够的电力，燃料电池组一般由约一百个单片电池组成，在一些特殊的场合，特别是汽车应用，电池组会由六百个单片电池构成。CVM系统通过测试电池组结构中每个单片电池的电压可以检测出有问题的电池；解析现场或带负荷长时间运行时的电池性能。

检测电池电压时使用差动输入。虽然单片电池的电压不高，可是差动输入端子对测试仪表地端会产生几百伏的电压。这种电压被称为共模电压。多数数据采集仪器 (DAQ) 没有绝缘，输入电压限制范围一般是5伏或10伏。另外，非绝缘仪器经常容易受接地环路的影响。为了克服燃料电池CVM系统中高共模电压的问题，要求高电压绝缘。

同时实现高电压绝缘和多通道的DAQ系统的设计是一个难题，因为大多数数据采集仪器模块使用单一A-D 转换器与前端倍增或扫描组合，高共模电压信号在经过绝缘变压器(isolation transformer)和A-D转换器实现绝缘和离散化之前一定要通过切换继电器。

MX100 DAQMASTER可以提供最高水准的通道对地，模块间和通道间隔离，它的模块化结构和标准软件使MX100很容易实现几百上千伏电池电压的监视。MX100　DAQMASTER使用横河专利技术的固态继电器(SSR)、绝缘变压器和积分式A-D 转换器，可以保证1500VDC负荷电压下的连续正常工作，保证切换的稳定性，并能提供高性能的绝缘和4通道的同期采样。

5．电池温度的监视
对于任何不同种类的燃料电池(PEM, SOFC, 等)，为了最大限度的提高性能和防止过热，温度的监视和管理都是非常重要的课题。这里介绍的温度测量适合燃料电池系统的各个组成部分，从电堆本身到供气装置，重整器，变频器。在有些场合也包括一些热电部件。
因此，测试过程中经常会需要几百个热电偶或RTD测量通道，这样一来，MX100　DAQMASTER这种小型，模块化，可再构筑的数据采集系统是最理想的。MX100 DAQMaster 的通用输入可以对应各种热电偶，选用不同模块，可以很容易的构建有上百或上千的热电偶通道的系统，并通过以太网从PC监视所有通道。


6．过程控制和监视
燃料电池测试站的核心是过程控制监视系统。这些系统的大多数将控制I/O信号集中到1台主PC，这台PC 作为测试系统的主要用户接口。由于燃料电池和测试系统的种类和结构多样，通道数和传感器的配置也各不相同，但是它们的信号都是同样的。比如热电偶或RTD检测的温度，压力，湿度，流量和数字I/O。
在MX100　DAQMASTER中，设计有最佳控制I/O系统需要：a)专门的测量技术，b)多样的输入输出结构，c)网络或PC故障时防止数据丢失的机构，d)强有力的软件支持；使用应用软件MX Logger最多可以连接20台MX100(1200通道)的连接，还可以使用Visual Basic 或 C/C++编程时可以实现更多通道系统来满足测试中的需求。


7. 燃料电池测试系统的开发
燃料电池系统控制中I/O是主要组成部分，另外，在燃料电池系统中会有很多其他的非主要控制部分，比如信号曲线显示，信号数据处理等。为了有效的将所有的硬件用通讯总线组合，大多数燃料电池测试系统使用例如Visual Basic, LabVIEW, C/C++的程序语言或例如Intellution和Wonderware公司的HMI/SCADA软件包。 运用MX100 DAQMASTER的控制I/O系统完全支持上述软件包的编程，并提供API函数和OPC接口方便用户进行开发。

8．小结
能源、环保、交通等原因对燃料电池的发展起了极大的推动作用，二十一世纪燃料电池将成为重要的高新科技得以飞速发展，同时也会带动测试仪器和测试技术的发展。

参考资料：
1. , T&M Division, Yokogawa Corporation of America，2003.4
2. Http://www.ysh.com.cn/, 2003. 10

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