燃料電池測試方法及對(duì)其構(gòu)建靈活的測試系統(tǒng)

　　根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)的一項(xiàng)調(diào)查，亞洲與澳大利亞2004年用作能源的石油已達(dá)1.65萬億升。該調(diào)查還顯示，自1990年起，石油的需求量每年都在上升，致使這種已近枯竭的自然資源價(jià)格不斷攀升。燃料電池作為一種替代能源，有望用于解決能源緊張的問題。

　　太空旅行是最早采用燃料電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)。早在1960年初，通用電子公司制造的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池就曾為NASA的GemiNI PXI技術(shù)開發(fā)出無線電接收機(jī)NI和阿波羅太空艙的電力系統(tǒng)提供能源。從那時(shí)開始，燃料電池技術(shù)有了長足的進(jìn)步，其應(yīng)用如今已遍及從筆記本電腦和MP3播放器到混合動(dòng)力汽車甚至建筑物等各個(gè)領(lǐng)域。隨著燃料電池的應(yīng)用不斷增多，設(shè)計(jì)工程師不但需要了解這種技術(shù)的原理，還應(yīng)熟悉燃料電池堆(cell stack)的可靠性與功能性測試。本文主要介紹構(gòu)建燃料電池測試系統(tǒng)的兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：可伸縮性和隔離。

　　測試需求

　　燃料電池是一種設(shè)備，它能利用氫這種地球上最豐富的元素將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。PEM燃料電池(最常用的一種燃料電池)中，在多孔陽極(porous anode)與陰極之間有一層電解膜。這層電解膜由一種允許質(zhì)子通過但阻擋電子通過的特殊材料制成。PEM電池工作時(shí)，讓氫氣和氧氣分別通過陽極與陰極，從而產(chǎn)生電流。陽極發(fā)生接觸反應(yīng)將氫氣分解為質(zhì)子，這些質(zhì)子通過PEM到達(dá)陰極。電子不能穿透PEM，所以會(huì)沿著其周圍的一條電路到達(dá)陰極，這條電路中電子的移動(dòng)就形成了電流。

　　PEM燃料電池主要用于汽車應(yīng)用中，電池堆中的每個(gè)電池單元可產(chǎn)生1.1V到1.23V的電壓。那么燃料電池與普通電池的差異在何處呢？普通電池只能存儲(chǔ)有限的電荷，因而使用時(shí)間有限，燃料電池卻不同，只要保持恒定的氫和氧供應(yīng)，燃料電池就能一直提供能量。這種能夠持續(xù)產(chǎn)生能量的特點(diǎn)使燃料電池非常適合為汽車和建筑物提供能源。但有些要求能量來源十分可靠的應(yīng)用就需要在使用前對(duì)燃料電池進(jìn)行徹底的測試。

　　燃料電池是一種可伸縮、復(fù)雜度最低，卻能產(chǎn)生“很多電能”的系統(tǒng)。燃料電池的靈活性也決定了，為保證安全、長期使用，需要有一種靈活的方法對(duì)其進(jìn)行測試。因此，在能添加I/O點(diǎn)的模塊化平臺(tái)上構(gòu)建燃料電池測試應(yīng)用就顯得至關(guān)重要。

　　除了應(yīng)具備模塊化和可伸縮的特性外，測試系統(tǒng)還應(yīng)該既能測量整個(gè)電池堆的電壓也能測量每個(gè)電池單元的電壓。電池堆的每個(gè)單元中，氫氣和氧氣通過陽極和陰極的流速都不同，因此每個(gè)單元提供的電壓也不同。于是，監(jiān)測這些電壓，從而了解每個(gè)單元是否工作正常，以及控制氣體流速以達(dá)到能源產(chǎn)生的最佳狀態(tài)，這些都十分重要。除了氣體流速之外，對(duì)燃料電池的溫度也必須加以控制。以PEM燃料電池為例，60℃到80℃就是最佳工作溫度。

圖1：各種燃料電池的工作過程

　　要保證對(duì)整個(gè)電池堆電壓的測量可靠，就要求測試系統(tǒng)的通道-地之間有足夠的隔離度，而且系統(tǒng)擁有足夠的抑制共模信號(hào)的能力。雖然每個(gè)電池單元產(chǎn)生的電壓可能還不超過1V，但多個(gè)電池單元堆疊起來卻可能輸出很高的電壓和電流。高性能的電池堆中往往包含成百上千個(gè)單元。因此，要準(zhǔn)確體現(xiàn)燃料電池堆的特性，系統(tǒng)必須能在大共模電壓下(往往高達(dá)幾百伏)對(duì)小電壓進(jìn)行多通道測量。