燃料电池应用手册(横河)JAPAN

1、FUEL CELL APPLICATION HANDBOOK燃料电池应用手册PERFORMANCE TESTING AND DESIGN VALIDATION性能测试和设计的验证概述:燃料电池工业正在向技术的商业化阶段迈进。研究、设计、检测仪表的配置以及燃料电池性能的测试是在该领域获得进步的核心问题。从各种电池化学原理的研究和监测，到模块或电堆水平的设计验证，直至系统及生产测试，燃料电池的测试正面临着独特的挑战。这本手册介绍了典型的燃料电池试验步骤和试验装置的总体结构。燃料的储存、供应和处理功率的调节燃料电池电堆的测试热水输出的电能空气空气供应设备废热回收系统重整器电堆逆变器目录:1. 燃料电

2、池系统概述 . 12. 电池单元电压的监控 (CVM) . 23. 电堆应力测试 . 44. 温度分布检测 . 65. 过程控制和监控 . . 76. 用电化学阻抗频谱法进行阻抗测试 . 107. 用电流中断法进行阻抗测试 . 128. 用PZ4000数字功率分析仪进行逆变器测试和功率分析 . 139. 用WT1600数字功率分析仪进行逆变器测试 . 1510. 用WT2030数字功率分析仪进行逆变器测试 . 16应用说明燃料电池单元的电压监控（CVM）应用:由于单一电池单元所产生的电压在0.8-1.5VDC范围内, 必须将电池单元串联成电堆才能发出足够的电能。一个典型的燃料电池电堆大约由10

3、0个燃料电池单元串联构成。但是，通常不会制造600个电池单元串联的电堆，特别是在用于汽车的燃料电池电堆领域。一个燃料电池单元电压监控仪（CVM）用于测量布置成电堆形式发电装置中的每一个电池单元的电压。采用这种测量方法可以成电堆中识别出有问题的电池单元，对现场使用或带负荷运行的电堆进行电池单元长期运行特性的表征。模块（n/10）从地计Vmax600Vrms/Vdc模块间最大隔离电压Vmax600Vrms/Vdc模块1采用差分测量方法来测量每一个电池单元的电压。电池单元本身的电压很低，对于仪器的内部地线，每个差分输入的引线脚上实际上可以测得数百伏特的电压。这种情况被称为共模电压。大多数数据采集系统

4、（DAQ）没有进行隔离，因此输入电压受到限制，以免插卡被永久性地损坏，通常仅为5-10V。此外，非隔离的设备常常怀会受到接地回路的影响。为了克服在燃料电池单元电压监控仪有可能遇到的共模电压高的困难，就需要一种高电压隔离栅。由于内部的信号调理或缓冲器由第三方供应，目前许多数据采集系统（DAQ）带有外部缓冲器，这样不仅缩小了包装的空间和成本，还能够维持尽可能高的信号分辨率和精度。解决的方法:与当今流行的任何固态器件数据采集系统相比，MX-100型数据采集仪能提供最高水平的通道-地线、模块-模块、通道-通道的隔离。由于其采用了模块结构以及标准的软件，用MX-100就可以容易地监控成百上千个燃料电池单

5、元的电压。MX100DAQMaster应用说明燃料电池单元的电压监控（续）解决方法:要使通道数高的数据采集系统达到高电压隔离的要求在设计上是一种挑战，因为，大多数数据采集模块只使用一个带多路转换开关或扫描前端器件的A-D，因此，高共模电压的信号在由隔离变压器和A-D转换器进行隔离和模数转换前，首先要通过开关继电器。MX1400采用了一种申请了专利的 Yokogawa 固态继电器（SSR）技术，允许连续负载电压达到1500VDC。此外，MX-100配备的隔离变压器和A-D转换器也采用申请有专利的Yokogawa设计。其它数据采集系统所提供的高电压隔离是采用电子机械继电器，这种结构存在开关反跳、整

6、定时间长和需要经常维护等问题。测量时闭合总之，MX100数据采集仪提供了空前的隔离能力和操作特性，其标准模块带有可以同时采样的四个采样通道，各通道之间相互隔离。600V(B)AI-H04模块接地机箱600V(D)600V(D)600V(D)250V(D)250V(B)250V(B)A/D转换器A/D转换器金属框架顺序控制器(ASIC)主控制模块电堆应力分析应用说明应用:当采用相对简单的机械结构将燃料电池单元连接成电堆时，制造公差尺寸上的细微变化均会严重地影响到电堆的操作特性。通常用螺栓来紧固和压紧电堆。作用在每一个螺栓上的压力会影响到电堆的电化学过程，从而影响到电堆的电压输出。为了对电堆的应力

7、与电堆或电池单元的电压的关系进行测试和调节，首先需要对应力作定量的测定。在机电一体化和消费类产品测试中广泛使用应力传感器。它是一种韦斯顿电桥，可以是四臂、两臂或一臂为测量臂的形式。在两臂或一臂为测量臂的应用场合，桥路的其它臂为高精度的电阻。完整的四臂桥路需要电压激励。此外，所测量的信号值通常仅为几个毫伏，所以为了能够高精度的显示应力的大小，需要对信号进行适当的放大和滤波。应变片传感器测量桥路O/PEEO/P韦斯顿电桥电路焊接接点末端回路定位标志电阻栅末端回路有效栅长衬垫和封装解决的方法:WE7000是一种网络式、模块化的数据采集系统，能通过一台微机进行高精度的测量和控制。采用WE7245应力计

8、测量模块，系统就可以容易地检测或分析从四个通道至上百个通道的应力计的应力分布信号。电堆应力分析（续）应用说明应力测定的特点: 采样速度100 kS/sec, 同时对各通道进行采样（各通道有独立的A/D转换器）， 支持单一测量臂，双臂或四臂测量臂桥路设计， 自动平衡和分支路校正， 120 Ohm, 350 Ohm, 或定制的电桥测量头， 激励电压: 各通道可以在 2V, 5V 或 10V之间选择。 各通道间完全隔离完全消除了接地回路和共模电压的影响， 向PC发送连续的数据流，还可以选用每通道最高到一百万个采样值的模块寄存器。 内置消除噪声的硬件低通滤波器 每个通道都可以重新设置成电压输入通道，而

9、不仅仅是应力信号通道。电堆的温度分布测定应用说明应用:不管采用何种燃料电池（质子交换膜燃料电池（PEM），固体氧化物燃料电池（SOFC）等），为了优化电堆的性能和避免过热，最为关键的是热能的和监控和管理。因此温度的测量贯穿到整个燃料电池系统，从电堆本身的温度到所供气体的温度，还包括重整器、逆变器的温度，在某些情况下还可能包括联合发电的其它部件。因此，所采用的热电偶或电阻温度传感器（RTD）的通道数常常会达到数百个。所以，一种紧凑的、模块化的和可以重新设置的数据采集系统才是最为理想的测量工具。此外，用热电偶测量燃料电池温度和逆变器输出的温度，和电池单元的电压监控（CVM）一样，也存在共模电压高的

10、问题，为了避免仪器的损坏，同样也必须采取必要的预防措施。对于燃料电池的测试而言，由于热电偶成本低廉和需要检测的通道数较多，通常选择热电偶，而不选择电阻温度传感器（RTD）。同时应当说明，不同数据采集系统的热电偶测量误差可能不同，从 0.5C 到 5C 或更高。 解决的方法:MX100 DAQ Master数据采集系统适合于各种输入信号，是专门为各种分度号热电偶而设计的。每个模块有10个通道，通过增加模块的数量可以很容易地达到将测量系统扩大到成百上千个通道，可以用一台PC通过以太网（Ethernet）监控所有的模块。温度测量的特点: 支持的热电偶分度号包括：R, S, B, K, E, J, T

11、, L, U, N, W, KpvsAu7Fe， 带冷端补偿， 自动检测热电偶开路/烧毁， 支持远程参考接点补偿（RJC）， 测量分辨率为0.1C。 RTD 测量时使用 1mA 或 2mA 激励电流， 支持以下分度号的电阻温度检测器(RTD)：Pt100, JPt100, Hi-res Pt100, Hi-res，JPt100, Ni100SAMA, Ni100DIN, Ni120, Pt50, Cu10GE, Cu10L&N, Cu10WEED, Cu10BAILEY, J263B 过程控制和监测应用说明应用:燃料电池测试站的核心部分就是一个过程控制和监测系统。这些控制I/O信集中送如一台P

12、C机，以这台PC机为测试仪的主要用户界面。鉴于燃料电池系统和测试仪有不同的结构，因此，通道数和传感器的布置会有很大的变化。但是主要感兴趣的信号几乎是一样的：用热电偶或RTD测试温度，压力，湿度，流量，以及数字I/O信号。排出的热量温水交流电燃料处理装置城市燃气氢气空气质子膜燃料电池空气供应装置温水贮槽直流电凝结水废热回收装置逆变器 重整器：催化剂温度 空气：压力, 温度, 湿度, 流量 电池单元：电压, 温度, 气体流量 热水流量 废热回收系统: 压力, 温度，流量 逆变器系统：温度，冷却风流量 供应：压力，温度，流量:构筑最好的控制I/O系统的基本要求包括：a) 带有测量接点的分布式体系结构

13、；b) 配备有各种各样可以重新设置的输入和输出；c) 具有在网络和PC发生故障时能避免数据损失和中断的故障保护机制；d) 充分支持软件自动化。解决的方法:MX100 DAQMaster 是专门为通过以太网进行控制而设计的。通过一台PC机，一个MX100主模块加上一块后板（可以配备60个通道）通过点对点的连接就可以实现数采和控制。此外，在一个单一的分布式系统中，采用同一个独立软件最多可以监控二十块MX100背板（可以配置1200个通道）。通过使用可编程语言，诸如Visual Basic 或 C/C+， 可以实现通道数更多的系统。过程控制和监测（续）应用说明解决方法:它由于燃料电池测试系统是定制的

14、，信号的类型和通道数会有很大的变化。即便针对同一个燃料电池系统，随着设计的改进和优化，控制I/O也会发生变动。虽然许多数据采集系统也具有模块化的体系结构，对于各种传感器类型要求有特定的模块相配合；而MX100为所有的输入通道提供了通用的输入。也就是说，可以一个通道一个通道地重新设置输入，可以分别设置成电压、热电偶、RTD，甚至设置为数字量输入。激励电流数字量输入热电偶电压通用型输入通道而且，没一个MX100型背板可以独立管理最多达三个不同的硬件扫描组。这就在分离快控制I/O参数（压力、湿度和流量）和慢控制I/O信号（环境温度，直流电压电平等）带来了极大的灵活性。过程控制和监测（续）应用说明通过

15、插入CF闪存卡技术，MX100能提供最好的数据完整性。当计算机出现崩溃或网络出现故障时，Mx100会自动地将采集到的数据从存入PC硬件驱动切换到存入CF闪存卡。在与网络重新建立连接后，存入闪存中的采集到的数据会自动地装填到计算机中，与原先记录的数据形成一个连续的数据块。对于燃料电池测试而言，数据自动备份可以使现场试验进行数天甚至数周。通过PC进行初始设置和启动数据采集后，可以断开网络连接，所以实际上MX100是一种完全可以独立运行的数据采集系统。软件自动化即便燃料电池系统的控制I/O部分主药由一个构架构成，在一个燃料电池系统中依然存在许多其它不属于主系统一部分的可以控制部件。为了有效地将所有的

16、硬件和通讯总线组合到一个体系之下，大多数燃料电池测试仪采用一种可编程程序语言，诸如 Visual Basic、LabVIEW、C/C+, 或一种 HMI/SCADA 软件包（例如 Intellution 或 Wonderware）。MX100的控制I/O系统通过使用这些可编程的软件包可以完全支持软件自动化。可以选择说明完全并且高性能的动态链接库（DLL），或者用常用的工业选件用于过程控制的OLE（OPC）进行整合。鉴于是一种带有测量节点的分布式的体系结构、有各种各样的可以重新配置的输入和输出、有避免数据损失的故障自动防护机构，充分支持软件自动化，MX100 DAQMaster 完全能够有效地适

17、合于一个燃料电池测试系统控制I/O的要求。应用说明用电化学阻抗谱法（EIS）测定阻抗应用:常常用燃料电池的阻抗特性来预测一个特定电堆的化学和机械设计的长期操作性能。测定感应电流反应阻抗的一种已知的方法就是电化学阻抗谱（EIS）。 电流密度（电池单元输出电流）双电层电容理论值反应电阻 溶液电阻阴极侧阳极侧电极的导体电阻 阳极侧的反应电阻 阴极侧的反应电阻 电介质电阻 电池单元电压在这种测量方法中，在测量燃料电池单元或电堆的输出电压的同时对电子负载进行控制。大多数电子负载可以通过一个模拟电压对设置点进行随意的控制。通过对一个DC电流叠加上一个 AC 脉动，燃料电池就受到负载的影响。燃料电池单元电压

18、的响应就会根据溶液电阻和双电层电容的大小发生变化，如以下等效电路所示。然后，为了提高分辨力和隔离和消除共模电压的影响，用一个带AC耦合的数据采集系统进行信号的采集。最后用傅里叶变换分析方法就可以得到实际阻抗，以及一个 Cole-Cole 图。负载电池单元电压叠加电流应用说明用电化学阻抗谱法（EIS）测定阻抗(续)叠加AC成分的矢量图 有效功率 反应功率用快速傅里叶变换计算阻抗解决方案:WE7000高精度数据采集平台能够处理来自于单一机架的叠加的控制信号以及燃料电池的电压采集D-A 输出模式可以以一台函数发生器或独立的信号发生器形式运行.它能够产生一个诸如正弦波、三角波、斜坡或脉冲等内部函数的硬

19、件扫频。可以采用各种各样的输入模式，可以按从DC到1 GS/sec的采样频率进行采样。然而，对于EIS而言，每通道最大100kS/sec的采样频率就完全足够了。这些通道可以同时采样，并能提供信号调理，诸如隔离、滤波、衰减以及更为重要的AC耦合等。独立的软件具有先进的数学表达能力；但是，不少燃料电池工程师喜欢使用诸如 MATLAB 等数学软件进行数学分析。直流电压（电池单元电压）交流电压（波动的）交流电子负载直流电子负载水和空气流出空气（氧）流入氢气流出氢气流入应用说明采用电流中断方式进行的阻抗测试应用：另一种测量阻抗的方法利用了电流中断。这种方法，虽然看上去要不如EIS法精确，但是不失为一种测

20、量阻抗相对变化的迅速和有效的方法。通常这种方法用于响应较慢的燃料电池，诸如固体氧化物燃料电池（SOFC）。在电流中断法中，主要是捕获当负载当燃料电池电堆的负荷从一个规定的值突然降低到零时的尖峰电压。解决的方法： 在电流中断时，会出现一个很大的电压阻尼振荡和过调现象； Yokogawa DL750 型和 DL708/716 型数字示波器具有通用的硬件低通滤波器、平均函数和各种类型的数字滤波器。依靠这些功能，您可以将阻尼振荡噪声消除掉测量出实际的拐点电压。 当电流中断时，DL708/716 型和 DL750型均可以接收到一个来自于电子负载的启动触发信号。 燃料电池WE7000型数据采集系统触发中断

21、信号16通道数字示波仪DL716以太网电子负载控制后前用PZ4000数字功率分析仪进行逆变器测试应用说明应用:有时燃料电池逆变器电源系统要求进行阶跃负载、瞬态响应和瞬态过载测试，以便核查逆变器的电力转换特性的。要求用这些试验来核查在正常使用中有可能出现的阶跃负载下逆变器输出的稳定性。解决的方法：测试阶跃和瞬变负载下燃料电池系统的运行特性需要一种高速的功率分析仪。传统的功率分析仪测量的取样时间不够快，因此无法进行这种测试。Yokogawa PZ4000 型将高速A/D和高速的采样存储器结合到一起，能在极短的测量时间内捕集到这些阶跃或瞬态的数据，不会造成数据的损失。PZ4000型数字功率分析仪逆变

22、器燃料电池 单相或负载： 三相交 流输出典型的电学测量项目: 阶跃或瞬变的电压或电流测量 循环功率测量 电压和电流的波形分析 DC 和 AC 同时测量 逆变器效率和功率损失测量 谐波分析 电压畸变 电压失调 相失调 电压变动率 频率变动率应用说明用PZ4000数字功率分析仪进行逆变器测试（续）用户定义的数学函数:Yokogawa PZ4000 型数字功率分析仪中可以设定用户定义的数学函数，这样测试工程师可以将所使用的函数输入到功率分析仪中。在燃料电池-逆变器系统的性能测试中这些数学函数十分有用。以下为一些示例，介绍如何使用这种用户定义的数学函数：Following are some examples of how the user defined math can be applied: 电压失调，% 逆变器功率损失 频率失调，%用WT1600数字功率分析仪进行逆变器测试（续）应用说明应用:逆变器是燃