燃料電池應(yīng)用手冊(橫河)JAPAN解析

ELCELL冊PERFORMANCETESTINGANDDESIGNVALIDATION性能測試和設(shè)計(jì)的驗(yàn)證概述:燃料電池工業(yè)正在向技術(shù)商業(yè)化階段邁進(jìn)研究設(shè)計(jì)檢儀表配置以及料電池性能的測試是在該領(lǐng)域獲得步核問題各種電池化學(xué)原理的研究和監(jiān)測模塊或電堆水平設(shè)計(jì)驗(yàn)證至系統(tǒng)及生產(chǎn)測試，燃料電池的測試正面臨獨(dú)特的挑戰(zhàn)。這本手冊介了典型的燃料電池試驗(yàn)驟和試驗(yàn)裝置總體結(jié)。試率的電

逆變器

輸出的電能空應(yīng)設(shè)備

廢空氣

重整器

:1.燃料電池系統(tǒng)概述.....12.電池單元壓監(jiān)控(CVM)......23.電堆應(yīng)測試...44.溫度分布檢測........6過程控制和監(jiān)控.....................…...用電化學(xué)阻抗頻譜法行阻抗測試................................................10用電流中斷法行阻抗試.............................12用PZ4000字功率分析儀進(jìn)行逆變器測試和功率分析...139.用WT1600數(shù)字功率分析儀行逆變器測試..1510.WT2030字功率分析儀進(jìn)逆變器測試.....16應(yīng)燃CVM:由于單電池單元所產(chǎn)生電壓在0.8-1.5VDC范內(nèi),必須將電池單元串聯(lián)成電堆能發(fā)出足夠的電能。一個典型的燃電池電堆大約由00個燃料電池單串聯(lián)成。但是通常會制6個電池單元串的電堆特別是在用于車的燃料電池電堆領(lǐng)域一個燃料電池單元壓監(jiān)控（用于測量布置成電堆形式發(fā)電裝置中每個單的壓。采用種方可成中別有問題的池，現(xiàn)使用或帶荷行的電堆進(jìn)電池單元長期運(yùn)行特性表征。從地計(jì)Vmax＝

模塊（）模塊間最大隔電＝600Vrms/Vdc模采用分量法測每一電單的壓電單元身電很，于器的部線每差輸入引腳實(shí)上以數(shù)伏的壓這情稱為共電壓大多數(shù)據(jù)采集系（DAQ進(jìn)行隔離入電壓，以免久性地?fù)p壞常僅為-10V。外隔設(shè)備常常懷受到接回路的影響了克服在燃料電池單元電壓監(jiān)控儀有能遇到的共模電壓的困難就需要種高電壓隔離柵。由內(nèi)的號理緩器由第三方供應(yīng)，目前許多數(shù)采系（）有部緩沖器，這樣僅縮小了包裝的空間和本，還能夠持盡可能高信號分辨率和精度。:與當(dāng)今流的任何固態(tài)器件數(shù)采集系統(tǒng)相比MX-100數(shù)據(jù)采集儀能提供最高水平的通道-線塊模塊、通道-道隔離。由于其采用了模塊結(jié)構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)的軟件用MX-100就可以容易地監(jiān)控成百上千個燃料電池單元電壓。MX100DAQMast應(yīng)說明燃池監(jiān)（續(xù)）解決方法:要使通道數(shù)高的數(shù)據(jù)采集統(tǒng)達(dá)到高電壓隔離的要在設(shè)計(jì)上是一種挑戰(zhàn)因?yàn)榇蠖鄶?shù)只使用一個帶多路轉(zhuǎn)開關(guān)或掃描端器件A-D，此高模壓信在由離壓和A-D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行隔離和模數(shù)轉(zhuǎn)前，首先要過開關(guān)繼電。MX1400采用了一種申請了專利的固態(tài)繼電器（SSR）術(shù)，允許連續(xù)負(fù)電壓達(dá)到1500VDC。此外，MX-100配備的隔離變壓器和A-D轉(zhuǎn)換器也采用申請有專利的Yokogawa設(shè)計(jì)其它數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所提供的高電壓隔是采用電機(jī)械繼電器這種結(jié)構(gòu)存在關(guān)反跳整定時間和需要經(jīng)常維護(hù)問題。測量時閉合總之，MX100數(shù)據(jù)采集儀提供了前的隔離力和操作特性，其標(biāo)準(zhǔn)模塊帶有可以同時采樣的個采樣通道，各通之相互隔。A/D轉(zhuǎn)換器

600V(D)順控制器IC)

制塊A/D轉(zhuǎn)換器

金屬框AI-H04模塊

地箱說明:當(dāng)采用相對簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)燃料電池單元連接成電堆時造公差尺寸上的微變化均會嚴(yán)重地影響到電堆的操作特性通常螺栓來緊固和壓緊電堆作用在每一個螺栓上的壓力會影響到堆的電化學(xué)過程從而影響到電堆的電壓輸出。為了對電堆的應(yīng)力與電堆電池單元的電壓的關(guān)系行測試和調(diào)節(jié)先需要對應(yīng)力作定量的測定在機(jī)電體化和消費(fèi)類產(chǎn)品測試中廣泛使用應(yīng)力感器。它是一種韋斯頓電橋，可以是四臂兩臂或一臂為測量臂的形式。兩或臂測臂應(yīng)場，路其臂高度電。整四橋需電激。外所測量的信號值通常為幾個毫伏所以為了夠高精度的顯示力的大小，需要對信號行適當(dāng)?shù)姆藕蜑V波。末端回路電阻柵韋斯頓電橋電路

有效柵長

定位標(biāo)志E末端回路E

襯墊和裝焊接測量路

應(yīng)變片傳感器的E7000一種網(wǎng)絡(luò)式模塊化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能通一臺機(jī)進(jìn)行高精度的測和控。采用E7245應(yīng)力計(jì)測量模，系統(tǒng)就以容易地測或分析從四個通道上百個通道應(yīng)力計(jì)應(yīng)力分布號。用明）力測定的特點(diǎn):?采樣速度100kS/sec,同時對各通道進(jìn)行采樣（各各通道間完全隔離完全消除了接地回和共模電壓通道有立的A/D轉(zhuǎn)換器），

的影響，?支持單一測量臂，雙臂或四臂測量臂橋路設(shè)計(jì)，的數(shù)據(jù)流，還以選用通道最高到?自動平衡和分支路校正，

一百萬個采值的模塊存器。內(nèi)置消除噪聲的硬件低通濾器120350Ohm,或定制的橋測量，每個通道都可以重新置成電壓輸入通道不僅僅激勵電壓:各通道可以在5V或之間選是應(yīng)力信號通道擇。說明:不管采用何種料電池（質(zhì)子交換膜燃料電（PEM固體氧燃料電（SOFC）等，優(yōu)堆的性能和避免過熱最為關(guān)鍵的是熱能的和監(jiān)控和管理因溫的量穿整燃電系，電堆身的溫度到所供氣體的溫度，包括重整器、逆變器的度，在某情況下還可能包括聯(lián)合電的其它部件。因此，采的熱電或阻溫度感（RTD的道數(shù)常達(dá)數(shù)個所，種湊、塊的和可以新設(shè)置的數(shù)據(jù)集統(tǒng)才是最理想測量工具熱電偶測量燃料電池溫度和逆器輸出的溫度，和電池單元的壓控（CVM）一樣也在共電壓高問題，為避免儀器損壞同樣也必須采取必的預(yù)措施。對于燃料電的測試而，由于熱電偶本低廉需檢測的通道較多通常選擇熱偶而不擇阻度傳感（RTD同時應(yīng)當(dāng)說明不同數(shù)據(jù)采系統(tǒng)的熱電偶測量誤差可能不同從到5°C或更高。DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)合于各種輸入信號，是專門為各種分號電偶而設(shè)計(jì)。每個模塊有10通道通過增加模塊數(shù)可以很容易地達(dá)到測量系統(tǒng)擴(kuò)大到成百上千個通道可以用一PC以太（）監(jiān)控所有的模塊。度測量的特支持熱電偶分度號括S,E,J,T,U,N,W,KpvsAu7Fe，帶冷端補(bǔ)償，自動檢測熱電開路/燒毀，支持遠(yuǎn)程參考接補(bǔ)償（RJC），測量分辨率0.1C。

?RTD測量時使用或2mA激勵流，?支持以下分號電阻度檢：Pt100,JPt100,Hi-resPt100,，JPt100,Ni100SAMA,Ni100DIN,Ni120,Pt50,Cu10GE,Cu10L&N,Cu10WEED,Cu10BAILEY,J263B用說測:燃料電池的核心部一個過程監(jiān)測系統(tǒng)。這控制I/O信中送一臺機(jī)這臺PC機(jī)為測試儀的主要用戶界面鑒于料電池系統(tǒng)和測試儀有不同的構(gòu)因此道數(shù)和傳感器布置會有很大變化。但是要感興趣的信號幾乎是樣的：用電偶或RTD測試溫度，壓力，濕度，流量，以及數(shù)字/O信號?？諝庋b置空氣質(zhì)膜料電池氫氣

溫水槽排出熱量

重整：催化劑溫空氣壓力,溫度,濕,流單元壓溫,氣體量熱水廢熱收系統(tǒng)壓力,溫度，流逆器系統(tǒng)：溫度，冷卻風(fēng)量供應(yīng)壓力，溫，量:凝結(jié)燃料理城市燃直流電

廢熱收裝置交電

溫構(gòu)筑最好的控制I/O系統(tǒng)的基本要包括a)帶有測量接點(diǎn)的分布式體系構(gòu)；配備有各種各樣可以重新設(shè)置的輸和輸出；c)具有在絡(luò)和PC發(fā)生故障時能避免數(shù)據(jù)損失中斷故障保護(hù)機(jī)；充分支持件自動化法:MX100DAQMaster是專門為通以太網(wǎng)進(jìn)行控制而設(shè)計(jì)的。通過一臺PC機(jī)，一個主模塊加上一塊后板（可以備60通道）通點(diǎn)對點(diǎn)連接就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)采和控制。此外一個單一的布系統(tǒng)中采同個獨(dú)立軟件最多可以監(jiān)控二十塊M背（可以置1200個道）。通過使用編程語言，諸如al或，現(xiàn)通道數(shù)更多的系統(tǒng)。應(yīng)說明）它由燃電測系是制，號類和道會有大變。即便針對同一隨著設(shè)計(jì)的改進(jìn)和優(yōu)化，控制也會發(fā)生變動。雖然許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也具有模塊化的體系結(jié)構(gòu)，對于各種傳感類型要求有特定的模塊相配合而MX100為所有的輸通道提了通用的輸入。也就是說，可以一個通道一個通道地重新設(shè)置輸入，可以分別設(shè)置成電壓、熱偶、RTD，甚至設(shè)置為數(shù)字量入。道電壓熱偶激流字入而，沒個MX100型背板可以獨(dú)立理最多達(dá)三個不同的硬件掃組這就在分離快控制I/O（力濕度和流）和慢控I/O號（環(huán)境溫度直流壓電平等帶來了極的靈活性。應(yīng)說明通過插入CF閃存卡技術(shù)MX100能提供好的數(shù)據(jù)完整性當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)崩潰或網(wǎng)出現(xiàn)故障時會自動將采集到的數(shù)從存入C件驅(qū)動切到存入F閃存卡。在與網(wǎng)絡(luò)重新建立連接后，存入閃存中的采集到的數(shù)據(jù)會自動裝填到計(jì)算機(jī)中，與原先記錄的據(jù)形成一個連續(xù)的數(shù)據(jù)塊。對于燃料電池試而言，數(shù)據(jù)自動備份可以使現(xiàn)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)天甚至數(shù)周。通過PC行初始設(shè)置和啟動數(shù)據(jù)采集后，可以斷開網(wǎng)絡(luò)連接，所以實(shí)際上MX100一種完全可以獨(dú)立運(yùn)行的數(shù)據(jù)集系統(tǒng)。軟件自動即便燃料池系統(tǒng)的控制I/O部分藥由一個架構(gòu)成，一個燃料池系統(tǒng)中然存在許多它不屬于主統(tǒng)一部分的以控制部件為了有效地將所有的硬件通訊總線組合一個體系之下大多數(shù)燃料電池測試儀采用一可編程諸如BasicLabVIEW或一種HMI/SCADA軟件包如或Wonderware）。MX100控制I/O系統(tǒng)通過使這些可編的軟件包以完全支持軟件自動選擇說明完全并且高性能的動態(tài)接庫（），或者常的工業(yè)選件用過程控制的LEOPC）進(jìn)整合。鑒是一種帶有測量點(diǎn)分布式的體系結(jié)、有種樣的可以新配的入和輸出、有避免據(jù)失的故障自防護(hù)機(jī)構(gòu)充分持軟件自動MX100DAQMaster完全能夠效地適合一個燃料電池測試系統(tǒng)制I/O的要求。應(yīng)明）:常常用燃料電池的抗特性來預(yù)測一個特定電堆的化學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)的長期操作性能定感電流反應(yīng)阻抗一種已知方法就是電化學(xué)阻抗譜（）《理論值》

的導(dǎo)阻陽側(cè)反應(yīng)電阻壓電元單池電

雙電層電容

陰側(cè)反應(yīng)電阻電介阻反阻溶液電阻陽

陰電流密度（電池單元出電流）在這種測量方法在測量燃料電池單元或電的輸出電壓的同時對電子負(fù)載進(jìn)行控大多數(shù)子負(fù)載以通過一個擬電壓對設(shè)置進(jìn)行隨意的制。通過一個C電流疊上一個AC動料池就受到負(fù)的。電單元電壓應(yīng)根溶液電阻和雙電層電容大小發(fā)變化，如以下等效電路所。然后，為提高分辨力和隔和消除共模電壓的影響，用個帶AC耦合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行信號的采集。最后用傅里葉變換分方法就可以得到實(shí)際阻抗，以及個le圖。疊加流電池單元電壓負(fù)載應(yīng)說明EIS）測定(用快速傅里葉變換計(jì)算阻抗疊加分量圖

有功率

反功率WE7000高精度數(shù)據(jù)集平臺能夠處理來自于單一機(jī)架的疊加的控制信號以及燃料電池的電壓采集D-A輸出模式可以生器或獨(dú)立的信號發(fā)生器形式行它能夠產(chǎn)一諸如正波三角波斜或脈沖等內(nèi)部數(shù)的硬掃頻。可以采用種各樣的輸入模式可以按C到GS/sec的樣率進(jìn)行采樣。然，對EIS而言，通道大00kS/sec的采頻率就完全足夠了。這些通道以同時采樣，能供信號調(diào)理，諸如隔離、濾、衰減以及更重要的耦合等。獨(dú)立的軟件有先進(jìn)的數(shù)學(xué)表達(dá)能力但是不少燃料電池程師喜歡使用諸如等數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。氫氣氫氣出空（）流入水和氣流出

直流子負(fù)載

交流子負(fù)載直流壓（池單電壓）交流壓（動的）應(yīng)說明另一種測量阻抗方法利用了電流中斷這種方法雖然看上去要不法精確但是不失一種測量阻抗相對變化的迅速和有效的方法。常這種方法用于響應(yīng)較慢的燃料電池，諸固體氧化物燃料電池SOFC。在電流中斷法中，主要是捕獲當(dāng)負(fù)載當(dāng)燃料電池電堆的荷從一個規(guī)定的值突然降低到時的峰電。解決方法：在電流中斷時，會出現(xiàn)一個很大的電壓阻尼振蕩和過調(diào)現(xiàn)；YokogawaDL750型和型數(shù)字示器具有通用的硬件低通濾波、平均函和各類型的數(shù)字濾波器依靠這些功您可以將尼振蕩噪聲消除掉測出實(shí)際的點(diǎn)電壓。?電流中斷時，DL708/716型和型均可接收到一個來自于電子載的啟動觸發(fā)信號。前

后子控以太

觸信型據(jù)16通字波儀說明

電池用4000數(shù)字功率應(yīng)用:有時燃料電池－逆變器電源系統(tǒng)要求進(jìn)階躍負(fù)載、瞬態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)過載測試，以核查逆變器的電力轉(zhuǎn)換特性的。要求用這些試驗(yàn)來核查正常使用中有可能出現(xiàn)的階躍負(fù)載下逆變輸出的穩(wěn)定性。解決的方法：測試階躍和瞬變負(fù)載下燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行特性需要一種高速的功率分析儀。傳統(tǒng)的功率分析儀測的取樣間不夠因此無法進(jìn)行種測試PZ4000型將高速A高速的采樣存儲器合到一起，能在極短的測量時間內(nèi)捕集到這些階躍或瞬態(tài)數(shù)據(jù)，不會造成數(shù)據(jù)的損失。單：三相交流器電池PZ4000型字率分析儀典學(xué):階躍或瞬變的電或流量?環(huán)功率測量電壓和電的波形分析?DC和AC同時測量?逆變器率和功率損失測量

?波分析?電畸變?電失調(diào)?失調(diào)?壓動?率動應(yīng)明用戶定義數(shù)學(xué)數(shù):YokogawaPZ4000型數(shù)字功率分析儀可以設(shè)定用戶定義的數(shù)函數(shù)，這樣試工程師可以將使用的函數(shù)輸入到功率分析中。在料電池逆變器系統(tǒng)的性能測試這數(shù)學(xué)函數(shù)十分有用。以下為一些示，介紹如何使用這種用戶義的數(shù)學(xué)函數(shù)：Followingareexamplesofhowtheuserdefinedmathcanbeapplied:?電壓失調(diào)，%逆變率損失頻率失調(diào)應(yīng)明T1600:逆變器是燃料電池電源系統(tǒng)產(chǎn)生交流電能的