评价网 > 科教论文 > 工学毕业论文 > 计算机应用论文 > 正文

一种PEM燃料电池测试系统的设计(1)

2015-08-13 01:00 摘 要 针对PEM燃料电池系统的复杂性，及其对测试系统的实时性与可靠性要求，采用ADLINKTECH的PCI-9112、PCI-6208V数据采集卡，以PC为主控单元、LabVIEW为软件开发平台设计了一种PEM燃料电池测试系统。详细介绍了该测试系统的硬件结构和控制软件设计方案。该设计不仅提高了开发效率，缩短了开发周期，而且具有很强的实时性，取得了良好的测试与控制效果。 关键词 质子交换膜燃料电池；测试系统；控制1 引言 质子交换膜燃料电池（Proton Exchange 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，如图1所示。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[1]。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多而复杂。因此，为其提供稳定可靠的测试与控制平台在PEMFC的研制、开发以及性能测试中具有一定的现实意义。本文将详细介绍一种采用ADLINKTECH的PCI-9112、PCI-6208V数据采集卡结合LabVIEW开发的PEM燃料电池测试系统。图1 PEMFC燃料电池原理图2 系统测试要求 PEM燃料电池测试系统主要是为PEMFC提供一个工作和测试平台，它主要的工作是：1）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。3 系统硬件结构及设计 在该测试系统的硬件结构设计上,采用了模块化的设计思想，依据各模块所实现的功能将整个硬件部分划分为6个模块，分别是：配气单元、气体加湿单元、电子负载单元、硬件联锁保护单元、数据采集单元以及反馈控制单元，硬件组成结构如图2所示。图2 测试系统硬件结构框图 从图中可以看出，配气单元主要完成对反应气体以及保护气体的配送管理，在设计时加入质量流量控制计来实现对气体流量的采集与控制；气体加湿单元完成对反应气体的湿度和温度管理，其核心部件为露点加湿器；电子负载单元完成对燃料电池电堆的放电管理；硬件联锁单元完成对整个系统的安全控制，这是本测试系统研究的一个重点；数据采集单元完成对系统中各传感器、控制器的数据采集；反馈控制单元则在对各数据分析后通过PCI总线发送控制信号至控制卡以控制硬件联锁保护单元、配气单元和加湿单元的正常运行，而同时通过RS485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。3.1 硬件联锁保护 硬件联锁是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 Sensor Switch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。