2.4電壓信號(hào)取樣與校正模塊

從電壓采集模塊輸出的電壓信號(hào)可直接通過NI公司DAQ設(shè)備的模擬信號(hào)輸入進(jìn)行取樣。通過LabVIEW編寫算法程序，還原差分放大器放大后的信號(hào)大小。其LabVIEW程序框圖如圖4所示。

圖4　LabVIEW電壓校正模塊程序框圖

2.5PC測(cè)控界面與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示模塊

用LabVIEW編寫調(diào)控與顯示界面，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖5所示。此界面既可以直觀地監(jiān)控各電池當(dāng)前的狀態(tài)，也可以查詢每節(jié)電池的歷史狀態(tài)和電壓的走勢(shì)。并可以用LabVIEW通過CSV輸出保存數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)研究時(shí)隨時(shí)調(diào)用。

3 SCVM系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)為上述SCVM系統(tǒng)用于燃料電池組測(cè)試實(shí)例。測(cè)試中采用新加坡淡馬錫理工學(xué)院清潔能源研究中心研制的陰極開放式PEMFC電池堆，它由16片單電池串聯(lián)組成。其陽(yáng)極采用封閉結(jié)構(gòu)，并在氫氣出口端定時(shí)排水；陰極采用PFB0612UHE型風(fēng)扇(Delta公司產(chǎn))為燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)提供氧氣，并將電池內(nèi)生成的水及廢熱排出。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置風(fēng)扇電壓為9 V，以保持排風(fēng)量不變。通過調(diào)整外部負(fù)載的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)燃料電池堆的總輸出電壓，由此測(cè)得不同輸出電壓下各單體電池電壓的分布情況。

表1為上述SCVM系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果同標(biāo)準(zhǔn)電壓表測(cè)試值的對(duì)比。電壓的測(cè)量采用FLUKE 87型高精度數(shù)字電壓表，其精度可達(dá)到0.5 mV。從表1中可知，本SCVM系統(tǒng)的測(cè)試精度較高，誤差可控制在0.02 mV以內(nèi)。

圖6所示為燃料電池組實(shí)時(shí)監(jiān)控下各單體電池電壓的分布圖，圖中的4組曲線分別為不同外部負(fù)載下各單體電池電壓的測(cè)試結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為各單體電池依次從高電勢(shì)端到低電勢(shì)端的編號(hào)。

圖5　LabVIEW實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面

???????????????????? ???? 　1 　2 　3 　4 　5 　6 　7 　8 　9 　10 　11 　12 　13 　14 　15 　16 ? ? ? / V 0 .7 2 2 0 .7 1 3 0. 7 11 0 .7 0 4 0 . 70 0 0 .7 0 .6 9 9 0 . 69 5 0 .7 0 2 0 .7 0 5 0. 7 02 0 .6 9 9 0 . 70 8 0 .7 0 6 0 .7 1 0 0 . 71 0 S C M V / V 0 .7 2 2 0 .7 1 3 0. 7 12 0 .7 0 5 0 . 69 9 0 .7 0 .7 0 . 69 5 0 .7 0 3 0 .7 0 5 0. 7 02 0 .6 9 8 0 . 70 9 0 .7 0 6 0 .7 1 2 0 . 70 9 ? ? / m V 　0 　0 　1 　1 　? 1 　0 　1 　0 　1 　0 　0 　? 1 　1 　0 　2 　? 1

通過調(diào)節(jié)外部負(fù)載大小，得到燃料電池堆在不同的輸出電壓下，各單體電池電壓間的偏差程度，如表2所示，由最大偏差百分比來(lái)直觀體現(xiàn)。

由圖6可知，隨著改變外部負(fù)載的大小，即改變?nèi)剂想姵亟M的輸出電壓時(shí)，燃料電池組各單體電池電壓產(chǎn)生了較大的差異。當(dāng)控制電池組輸出電壓高于11.3 V時(shí)(即單電池平均電壓)，各單體電池電壓基本保持相同并趨于單電池平均電壓。但是當(dāng)調(diào)節(jié)外部負(fù)載使燃料電池組輸出電壓降低時(shí)(即降低單電池平均電壓)，各單體電池電壓值與平均值差異增大。例如，當(dāng)燃料電池組輸出的單體電池平均電壓從0.799 V降至0.707 V時(shí)，平均電壓下降了0.092 V，最大偏差只從0.88％增加到1.56％；而從0.661 V降至0.613 V時(shí)，平均電壓只下降了0.048 V，但此時(shí)最大偏差從4.08％激增至8.97％(見表2)。

圖6　　單體電池電壓分布

??????????????? ????/W 　78.45 79.07 69.08 23.83 PEMFC?????/V 9.81 10.57 11.31 12.79 ????????/V 0.613 0.661 0.707 0.799 ????/V 　0.055 0.027 0.011 0.007 ????/％ 　8.97 　4.08 1.56 0.88

此外，從圖6中還可看到，當(dāng)燃料電池組輸出電壓較低時(shí)，靠近燃料電池組中間的單體電池電壓明顯低于單電池平均電壓，而靠近兩邊的單體電池電壓高于單電池平均電壓，此時(shí)整個(gè)電壓分布呈現(xiàn)U型漏斗狀。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)陰極開放式燃料電池組外部負(fù)載功率改變時(shí)，燃料電池組各單體電池電壓隨之變化，尤其當(dāng)外部負(fù)載較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致各單體電池電壓值分布極不均勻，從而嚴(yán)重影響到陰極開放式燃料電池組的輸出性能和安全運(yùn)行，因此，一套實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、操作簡(jiǎn)潔的SCVM系統(tǒng)對(duì)保證陰極開放式燃料電池組的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

4 結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)的SCVM系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、導(dǎo)出數(shù)據(jù)便捷、界面直觀等特點(diǎn)，能較好地滿足一般燃料電池組的實(shí)驗(yàn)要求。

(2)應(yīng)用此SCVM系統(tǒng)對(duì)陰極開放式燃料電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)隨著燃料電池組外部負(fù)載的增大，各單體電池電壓的差異明顯，最大的單體電池電壓偏差達(dá)到近9％。因此可靠的SCVM系統(tǒng)對(duì)陰極開放式燃料電池的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

[1]PALO A.Economics and market prospects of portable fuel cells[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2007，32:4319-4328.

[2]JAMES L，ANDREW D.Fuel Cell System Explained[M].Second Edition.Chichester:John Wiley＆amp;Sons，2003:22-24.

[3]SPIEGEL C.燃料電池設(shè)計(jì)與制造[M].馬欣，王勝開，陳國(guó)順，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4]吳騫，許家群，夏文川，等.基于光電隔離繼電器的燃料電池堆單片電壓檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005(9):38-39.