1． 前言 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)于宇宙物質(zhì)的宏觀世界和微觀世界的認(rèn)識(shí)不斷加深，蘊(yùn)藏在物質(zhì)中的無限能源也不斷地被開發(fā)出來，各種新能源不斷出現(xiàn)。 燃料電池作為一種新型能源，有著發(fā)電效率高、無污染的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)燃料電池現(xiàn)在造價(jià)還比較高，壽命還不夠長(zhǎng)，功率還比較小。但是，在環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展并重的今天，研制和發(fā)展燃料電池有著重大的意義。 2． 燃料電池的基本原理 燃料電池是一種化學(xué)電池，由于它的工作物質(zhì)主要是可燃性氣體——?dú)錃?，因此它被稱為燃料電池。燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為低壓直流電能的裝置。燃料電池是由含催化劑的陽(yáng)極、陰極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)成。以氫氧燃料電池為例；當(dāng)陽(yáng)極和陰極連接負(fù)載時(shí)，氫在陽(yáng)極氧化，氧氣在陰極還原，電子從陽(yáng)極通過負(fù)載流向陰極構(gòu)成電回路，產(chǎn)生電能而驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。燃料電池與一般干電池的不同點(diǎn)是，只要保持燃料供應(yīng)，電池就會(huì)不斷工作提供電能。而且電池反應(yīng)的最終產(chǎn)物僅僅是水，對(duì)環(huán)境不造成污染。以碳?xì)浠衔镒魅剂蠒r(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物增加少量二氧化碳。 3．燃料電池的測(cè)試 　　在研究、開發(fā)、制造和應(yīng)用部門中，不同的部門他們的總目標(biāo)各有不同，但是，他們對(duì)于燃料電池的檢測(cè)和監(jiān)視項(xiàng)目要求卻是相似的。比如說，對(duì)于研發(fā)部門，要求測(cè)試燃料電池的輸出能量、使用壽命和電池組的耐用性；對(duì)于產(chǎn)業(yè)化研究，主要任務(wù)是確定大量燃料電池產(chǎn)品的制備方法和降低燃料電池堆的成本；對(duì)于生產(chǎn)應(yīng)用，要求燃料電池符合汽車設(shè)計(jì)，航空運(yùn)用等的要求；而在實(shí)際使用中，監(jiān)測(cè)燃料電池的使用壽命和工作狀態(tài)是至關(guān)重要。 在進(jìn)行燃料電池研究測(cè)試時(shí)，有許多項(xiàng)目需要進(jìn)行測(cè)試，比如測(cè)試燃料電池的電壓，輸出電流，溫度，還要測(cè)量和控制電池單元每一個(gè)膜片的濕度等。 日本橫河電機(jī)株式會(huì)社（YOKOGAWA）是一個(gè)全球著名的工業(yè)自動(dòng)化控制、測(cè)量、和信息系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)者，她提供的MX100　DAQMASTER為我們提供了詳細(xì)的燃料電池研究測(cè)試方案。 4．電池電壓監(jiān)視 (CVM) 在燃料電池中，每個(gè)電池只輸出0.8~1.5VDC的電壓，為了輸出足夠的電力，燃料電池組一般由約一百個(gè)單片電池組成，在一些特殊的場(chǎng)合，特別是汽車應(yīng)用，電池組會(huì)由六百個(gè)單片電池構(gòu)成。CVM系統(tǒng)通過測(cè)試電池組結(jié)構(gòu)中每個(gè)單片電池的電壓可以檢測(cè)出有問題的電池；解析現(xiàn)場(chǎng)或帶負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)的電池性能。 檢測(cè)電池電壓時(shí)使用差動(dòng)輸入。雖然單片電池的電壓不高，可是差動(dòng)輸入端子對(duì)測(cè)試儀表地端會(huì)產(chǎn)生幾百伏的電壓。這種電壓被稱為共模電壓。多數(shù)數(shù)據(jù)采集儀器 (DAQ) 沒有絕緣，輸入電壓限制范圍一般是5伏或10伏。另外，非絕緣儀器經(jīng)常容易受接地環(huán)路的影響。為了克服燃料電池CVM系統(tǒng)中高共模電壓的問題，要求高電壓絕緣。 同時(shí)實(shí)現(xiàn)高電壓絕緣和多通道的DAQ系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)難題，因?yàn)榇蠖鄶?shù)數(shù)據(jù)采集儀器模塊使用單一A-D 轉(zhuǎn)換器與前端倍增或掃描組合，高共模電壓信號(hào)在經(jīng)過絕緣變壓器(isolation transformer)和A-D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)絕緣和離散化之前一定要通過切換繼電器。 MX100 DAQMASTER可以提供最高水準(zhǔn)的通道對(duì)地，模塊間和通道間隔離，它的模塊化結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)軟件使MX100很容易實(shí)現(xiàn)幾百上千伏電池電壓的監(jiān)視。MX100　DAQMASTER使用橫河專利技術(shù)的固態(tài)繼電器(SSR)、絕緣變壓器和積分式A-D 轉(zhuǎn)換器，可以保證1500VDC負(fù)荷電壓下的連續(xù)正常工作，保證切換的穩(wěn)定性，并能提供高性能的絕緣和4通道的同期采樣。 5．電池溫度的監(jiān)視 對(duì)于任何不同種類的燃料電池(PEM, SOFC, 等)，為了最大限度的提高性能和防止過熱，溫度的監(jiān)視和管理都是非常重要的課題。這里介紹的溫度測(cè)量適合燃料電池系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，從電堆本身到供氣裝置，重整器，變頻器。在有些場(chǎng)合也包括一些熱電部件。 因此，測(cè)試過程中經(jīng)常會(huì)需要幾百個(gè)熱電偶或RTD測(cè)量通道，這樣一來，MX100　DAQMASTER這種小型，模塊化，可再構(gòu)筑的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是最理想的。MX100 DAQMaster 的通用輸入可以對(duì)應(yīng)各種熱電偶，選用不同模塊，可以很容易的構(gòu)建有上百或上千的熱電偶通道的系統(tǒng)，并通過以太網(wǎng)從PC監(jiān)視所有通道。 6．過程控制和監(jiān)視 燃料電池測(cè)試站的核心是過程控制監(jiān)視系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的大多數(shù)將控制I/O信號(hào)集中到1臺(tái)主PC，這臺(tái)PC 作為測(cè)試系統(tǒng)的主要用戶接口。由于燃料電池和測(cè)試系統(tǒng)的種類和結(jié)構(gòu)多樣，通道數(shù)和傳感器的配置也各不相同，但是它們的信號(hào)都是同樣的。比如熱電偶或RTD檢測(cè)的溫度，壓力，濕度，流量和數(shù)字I/O。 在MX100　DAQMASTER中，設(shè)計(jì)有最佳控制I/O系統(tǒng)需要：a)專門的測(cè)量技術(shù)，b)多樣的輸入輸出結(jié)構(gòu)，c)網(wǎng)絡(luò)或PC故障時(shí)防止數(shù)據(jù)丟失的機(jī)構(gòu)，d)強(qiáng)有力的軟件支持；使用應(yīng)用軟件MX Logger最多可以連接20臺(tái)MX100(1200通道)的連接，還可以使用Visual Basic 或 C/C++編程時(shí)可以實(shí)現(xiàn)更多通道系統(tǒng)來滿足測(cè)試中的需求。 7. 燃料電池測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā) 燃料電池系統(tǒng)控制中I/O是主要組成部分，另外，在燃料電池系統(tǒng)中會(huì)有很多其他的非主要控制部分，比如信號(hào)曲線顯示，信號(hào)數(shù)據(jù)處理等。為了有效的將所有的硬件用通訊總線組合，大多數(shù)燃料電池測(cè)試系統(tǒng)使用例如Visual Basic, LabVIEW, C/C++的程序語(yǔ)言或例如Intellution和Wonderware公司的HMI/SCADA軟件包。 運(yùn)用MX100 DAQMASTER的控制I/O系統(tǒng)完全支持上述軟件包的編程，并提供API函數(shù)和OPC接口方便用戶進(jìn)行開發(fā)。 8．小結(jié) 能源、環(huán)保、交通等原因?qū)θ剂想姵氐陌l(fā)展起了極大的推動(dòng)作用，二十一世紀(jì)燃料電池將成為重要的高新科技得以飛速發(fā)展，同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)測(cè)試儀器和測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。 參考資料： 1. , T&M Division, Yokogawa Corporation of America，2003.4 2. Http://www.ysh.com.cn/, 2003. 10