直接甲醇燃料电池系统多通道连续考核平台及其考核方法

摘要

本发明涉及一种直接甲醇燃料电池系统多通道连续考核平台及考核方法，包括多通道切换开关装置、信号切换开关、单电池电压监测装置、信号叠加开关、多通道直流电子负载装置、交流阻抗测试装置、平台总控制装置以及工控机，多通道切换开关装置根据控制工控计算机的软件指令，按着直接甲醇燃料电池系统顺序及信号类别顺序将信号逐个传递给工控计算机储存，这些信号在工控机内按着指定顺序在指定文档“按号入座”，完成在某一时刻某一状态值的记录任务。本发明将该平台应用于多套DMFC系统的测试和考核，解决了原来的测试程序复杂、连续对多台燃料电池系统测试时连接线更换不便、测试结果数据量繁多、记录与整理数据困难等一系列问题。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池系统考核技术，具体的说是一种直接甲醇燃料电池系统多通道连续考核平台及其考核方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料中的化学能转化为电能的电化学反应装置。根据电解质种类的不同，燃料电池可划分为很多类型，如质子交换膜燃料电池，固体氧化物燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，碱性燃料电池等。质子交换膜燃料电池采用可以传到质子的聚合物高分子膜为电解质，阳极侧通入氢气或者小分子醇类，作为反应燃料，阴极则通入氧气，作为氧化剂。以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池又被称为直接甲醇燃料电池(DMFC)。在DMFC工作过程中，阳极侧的甲醇燃料在电催化剂的作用下发生氧化反应生成质子、电子以及其他副产物，质子透过质子交换膜传递到阴极，而电子则通过外电路传递到阴极，到达阴极的质子和电子与阴极的氧气在电催化剂的作用下发生还原反应生成水，从而为外电路持续供电。

近年来，随着DMFC技术的不断创新和发展，其存在的一些问题已经在一定程度上得到解决或者在不断的削弱。然而，就在将DMFC技术推向实际应用的时候，对其组成系统进行性能、寿命及其经时变化性等全方位的考核是必不可少的过程，而且为了防止偶然因素导致的对同一类型DMFC系统的性能做出误判，往往需要对其中的多台产品进行同步考核。

从DMFC的反应原理及其外围的系统设计，DMFC系统的运行涉及电化学、化学工程、电工、电子、机械、控制硬件、控制软件等多方面内容。因此，在其运行过程中，诸多影响因素都会对其性能和稳定性产生影响。也就是说，对DMFC系统产品的运行过程进行缜密的考核并非简单，而对多台系统产品同步实施长时间不间断的连续考核更是一件复杂的事情。目前，有不少厂家已经研制了较大型设备，用于燃料电池电堆的连续不间断考核。但针对DMFC系统的考核装置尚未见问世，针对多台系统同步实施考核的平台更是未见有人提及。

发明内容

针对现有技术中存在的没有针对DMFC系统的考核装置的不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种用作多台系统产品的同步连续不间断考核的直接甲醇燃料电池系统多通道连续考核平台及其考核方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明直接甲醇燃料电池系统多通道连续考核平台包括：多通道切换开关装置、信号切换开关、单电池电压监测装置、信号叠加开关、多通道直流电子负载装置、交流阻抗测试装置、平台总控制装置以及工控机，其中：

多通道电子开关装置，在平台总控制装置的控制下，接收多个甲醇燃料电池系统中燃料电池电堆的每个单电池的弱电信号；

信号切换开关，输入端与多通道电子开关装置的输出端相连，在平台总控制装置的控制下，输出端分别接至单电池电压监测装置或交流阻抗测试装置；

单电池电压监测装置，在平台总控制装置的控制下，对甲醇燃料电池系统信号进行电压监测；

信号叠加开关，在平台总控制装置的控制下，输入端分别与多个甲醇燃料电池系统的功率输出端相连；

多通道直流电子负载装置，与信号叠加开关的输出端相连，在平台总控制装置的控制下，分别独立设置各自的工作状态；

交流阻抗测试装置，在平台总控制装置的控制下，对信号切换开关输出的某一单节电池进行阻抗测量；

工控机和平台总控制装置，平台总控制装置接收上位机的指令，并将其下达到上述各部件。

本发明还具有交流电源装置，其输出端与信号叠加开关相连，控制端与平台总控制装置相连。

所述多通道电子开关装置具有多套输入端及1套输出端；

或者，信号切换开关具有一套输入端及两套输出端，并内含多路同步和非同步切换开关群；

或者，单电池电压监测装置具有多路输入端子群及单路输出端子群。

信号叠加开关具有两套输入端子群、一套输出端子群和内置开关群，两套输入端中的一套具有2×N个接点。

本发明直接甲醇燃料电池系统多通道连续考核方法包括以下步骤：

将多个直接甲醇燃料电池系统与考核平台中的多通道电子开关装置依次相连接；

运行中的被测燃料电池系统的动态信息参数通过数据通讯导线族送至多通道电子开关装置；

多通道电子开关装置根据来自上位机下传给平台中控制装置的控制信号选择某一系统的信息向下游各测试单元传递，而其他系统的信息将暂时被搁置；

工控机根据预先编制好的顺序向多通道电子开关装置发出信号，使各被测直接甲醇燃料电池系统的信号族按着指定的系统排序依次测量；

由多通道电子开关装置按照工控机指令筛选的指定直接甲醇燃料电池系统的全部信息中电堆单电池电压信息送至信号切换开关；

信号切换开关根据工控机指令将接收的电堆单电池电压信息送至交流阻抗测量装置或单电池电压监测装置，如果工控机发出测量交流阻抗的指令，则信号叠加开关将交流电源装置发出的交流信号叠加到直接甲醇燃料电池系统中的电堆两端，使该燃料电池电堆的直流发电状态人为地受到扰动；

交流阻抗测试装置通过测量每一节单电池的电压状态直接给出交流阻抗值，并通过平台总控制装置传输给工控机储存；

判断是否停机，如果停机，则结束本次考核过程。

如果没有停机，则转至运行中的被测燃料电池系统的动态信息参数通过数据通讯导线族送至多通道电子开关装置步骤；

如果工控机没有发出测量交流阻抗的指令，则信号切换开关将信号切换至单电池电压监测装置；

单电池电压数据通过平台总控制装置整理后被送至工控机储存；

接续判断是否停机步骤。

所述全部信息包括电堆单电池电压信息、温度信息、压力信息、流量信息以及浓度信息。

由多通道电子开关装置按照工控机指令，将直接甲醇燃料电池系统的电堆单电池温度信息、压力信息、流量信息以及浓度信息送至平台总控制装置整理后储存至工控机；

接续判断是否停机步骤。

所述动态信息参数可以为温度、压力、湿度、浓度、氧化剂流量、燃料流量、电堆各个单电池的电压中的全部或者一部分，也可以为使用者根据自己的需求定义的内容。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明提出了一种分时控制式DMFC系统多通道连续考核平台，将该平台应用于多套DMFC系统的测试和考核时，解决了原来的测试程序复杂、连续对多台燃料电池系统测试时连接线更换不便、测试结果数据量繁多、记录与整理数据困难等一系列问题。另外，该考核平台还可对燃料电池电堆中的每一节单电池实施交流阻抗在线测试，达到了对DMFC系统连续考核的目的。

附图说明

图1为本发明直接甲醇燃料电池系统多通道连续考核平台结构框图；

图2为本发明直接甲醇燃料电池系统多通道连续考核方法流程图；

图3为本发明方法中交流阻抗测试示意图；

图4为本发明考核平台中燃料电池(单电池)的交流阻抗等效电路。

具体实施方式

本发明采用分时控制方式建立一种直接甲醇燃料电池(DMFC)系统多通道连续考核平台，并将其用作多台系统产品的同步连续不间断考核。

本发明DMFC系统的多通道连续考核平台主要由多通道电子开关装置1、信号切换开关2、单电池电压监测装置3、信号叠加开关4、多通道直流电子负载装置5、交流电源装置6、交流阻抗测试装置7、工控机8、平台总控制装置9及连接导线族组成，连接方式如图1所示，其中：

多通道电子开关装置1，在平台总控制装置9的控制下，接收多个甲醇燃料电池系统的弱电信号；

信号切换开关2，输入端与多通道电子开关装置1的输出端相连，在平台总控制装置9的控制下，输出端分别接至单电池电压监测装置3或交流阻抗测试装置7；

单电池电压监测装置3，在平台总控制装置9的控制下，对甲醇燃料电池系统信号进行电压监测；

信号叠加开关4，在平台总控制装置9的控制下，输入端分别与多个甲醇燃料电池系统的功率输出端相连，并接收交流电源装置6的交流信号；

多通道直流电子负载装置5，与信号叠加开关4的输出端相连，在平台总控制装置9的控制下，分别独立设置各自的工作状态；

交流电源装置6，输出端与信号叠加开关4相连，控制端接有平台总控制装置9；

交流阻抗测试装置7，在平台总控制装置9的控制下，对信号切换开关2输出的某一单节电池进行阻抗测量；

工控机8和平台总控制装置9，平台总控制装置9接收工空机8的指令，并将其下达到上述各部件。

上述分时控制式DMFC系统的多通道连续考核平台中的各个组成部分，可以是各自独立的设备单元，也可以相互间组合成的功能叠加的合成装置。

上述连接导线族分为信号线族与功率线族。图1中细点线表示信号线族，主要传输传感器及控制指令等弱电类信号，而细实线表示功率线族，用于传输较强的动力电流。在弱电及强电的布线上可以采取共地模式也可以采取非共地模式。为了使图示尽可能清晰，在本实施例以共地模式为例进行叙述。

被测的DMFC系统Sys1～SysN，其每一个系统均由电堆和支撑部件群所构成。每个系统由支撑部件中的ECU(Electro Control Unit)单元(ECU属于DMFC系统支撑部件的一部分)实施自动运行控制，系统在运行过程中的温度、压力、浓度、流量、总电流、总电压等数据也由ECU按一定的周期进行采集并整理后，按一定的信号格式通过信号排线向系统外传输。每个系统还具有功率输出端，它除了向外输出大电流外，外界交流信号也能够通过同一端口向电堆两端施加干扰以测量各电池的交流阻抗。

多通道电子开关装置1的输入端有N套，N的数值根据研究需求可任意设定，每一套输入端由多个接线端子所构成与来自DMFC系统的弱电信号线相连。这些弱电信号包括温度、压力、浓度、流量、总电流、总电压等数据及电堆中所有单电池的电压数据群。接线端子的数量根据信号格式精度要求可以任意设定。多通道电子开关装置1的输出端只有1套，其结构与上述的任意一套输入端相同。多通道电子开关装置1内藏有多路同步切换开关群，能够受控将Sys1～SysN中的任意一套数据线族与输出端相连接。

信号切换开关2具有一套输入端及两套输出端，并内藏有多路同步、非同步切换开关群，其工作受平台总控制装置9的控制。当系统需要测某一套DMFC电堆系统中各节单电池的电压时，多路同步切换开关群受控将输入端与单电池电压监测装置3相连接；而当需要检测交流阻抗时，则多路同步切换开关群受控将切断输入端与单电池电压监测装置3相连接，同时根据平台总控制装置9的指令将某一系统中某一节单电池的电压测量端与交流阻抗测试装置7相连接。

单电池电压监测装置3具有多路输入端子群及单路输出端子群。输入端的端子数m与电堆的单电池节数S相关；其关系可以是m＝2×s，也可以是m＝s+1。取何种形式，取决于单电池电压监测装置3的设计模式。借助多通道电子开关装置1及信号切换开关2的帮助，Sys1～SysN中任意一台电堆的任意一节单电池两端能够与输入端子群相连以便直接读取每一节单电池的电压。该装置内的信息处理单元将这些电压数据按着某一顺序排列，并按指定的信号格式(如RS-232或RS-485等)通过输出端子传给平台总控制装置9。

信号叠加开关4具有两套输入端子群、一套输出端子群和内置开关群。两套输入端中的一套具有2×N个接点，分别与Sys1～SysN电堆两端的功率输出端相连，接受电堆的功率输出电流；另一套则与交流电源装置6相连，接受交流信号。输出端则与多通道直流电子负载装置5相连。一般运行时，Sys1～SysN的输出电流通过开关群分别连接到多通道直流电子负载装置5。当需要测试单电池的交流阻抗时，来自交流电源装置6的交流信号通过内置叠加开关受控叠加到待测电堆的两端。

多通道直流电子负载装置5由多个电子负载组合而成，一般根据被测DMFC系统的台数而确定，通常为N，可根据平台总控制装置9的控制信号分别独立设置各电子负载单元的工作状态(如电流、电压等)。

交流电源装置6是可任意调节其输出频率及振幅的交流电源装置，具有一个输出端，其工作状态受平台总控制装置9的控制。

交流阻抗测试装置7是用于测量某一节单电池交流阻抗的装置，其工作要与直流电子负载装置5、交流电源装置6配合实施。在测量时，根据平台总控制装置9按某一顺序逐系统逐节分时实施。

工控机8与平台总控制装置9可以是一体，也可以是分体。平台总控制装置9具有接受工控机8的指令并将其下达到多通道电子开关装置1、信号切换开关2、单电池电压监测装置3、信号叠加开关4、多通道直流电子负载装置5、交流电源装置6以及交流阻抗测试装置7的功能，还具有接受上述各个装置上传数据并整理后按指定格式输给工控机8的功能。

在本平台运行中，燃料电池系统群Sys1～SysN的传感器类信号群，通过多通道电子开关装置1及信号切换开关2选择连接至单电池电压监测装置3或交流阻抗测试装置7；而传输动力电流的功率线则通过信号叠加开关4连接到多通道直流电子负载装置5和交流电源装置6，除了测试交流阻抗时外，功率线常时与多通道直流电子负载装置5相连，以保证燃料电池系统处于荷载状态。多通道直流电子负载装置5的各个通道载荷功率，由工控机8通过平台总控制装置9实施动态控制。

本发明直接甲醇燃料电池系统多通道连续考核平台利用分时顺序测量原理用一套考核平台对多套DMFC系统状态实施连续不间断的测试与记录，具体流程如图2所示，主要有以下几步骤：

将多个直接甲醇燃料电池系统与考核平台中的多通道电子开关装置1依次相连接；

运行中的被测燃料电池系统Sys1～SysN的动态信息参数通过数据通讯导线族送至多通道电子开关装置1；数据信息参数的种类及信号规格根据用户要求而定，可以是温度、压力、湿度、浓度、氧化剂流量、燃料流量、电堆各个单电池的电压等中的全部或者一部分，也可以是使用者根据自己的特殊需求特殊定义的内容。

多通道电子开关装置1根据来自上位机8下传给平台中控制装置9的控制信号选择某一系统的信息向下游各测试单元传递，而其他系统的信息将暂时被搁置以实现分时测量的目的；

工控机8根据预先编制好的顺序向多通道电子开关装置1发出信号，使各被测直接甲醇燃料电池系统Sys1～SysN的信号族按着指定的系统排序依次测量；这一过程可通过在电脑8上预先编制好的软件自动循环实施，也可通过平台总控制装置9手动实施；

由多通道电子开关装置1按照工控机8指令筛选的指定直接甲醇燃料电池系统的全部信息中电堆单电池电压信息送至信号切换开关2，而其余部分信息(如，温度、压力、流量、浓度等)被送至平台总控制装置9整理后储存至工控机8；

信号切换开关2根据工控机8指令将电堆单电池电压信息送至交流阻抗测量装置7或单电池电压监测装置3，如果工控机8发出测量交流阻抗的指令，则信号叠加开关4将交流电源装置6发出的一定频率及振幅的交流信号通过功率线叠加到直接甲醇燃料电池(DMFC)系统中的电堆两端，使该燃料电池电堆的直流发电状态人为地受到扰动；

交流阻抗测试装置7通过测量每一节单电池的电压状态直接给出交流阻抗值，并通过平台总控制装置9传输给工控机8储存；

判断是否停机，如果停机，则结束本次考核过程；否则如果没有停机，则转至运行中的被测燃料电池系统Sys1～SysN的动态信息参数通过数据通讯导线族送至多通道电子开关装置1步骤；

如果工控机8没有发出测量交流阻抗的指令，则信号切换开关2将信号切换至单电池电压监测装置3；

单电池电压数据通过平台总控制装置9整理后被送至工控机8储存；接续判断是否停机步骤。

由多通道电子开关装置1按照工控机8指令筛选的指定，将直接甲醇燃料电池系统的电堆单电池温度信息、压力信息、流量信息以及浓度信息送至平台总控制装置9整理后储存至工控机8；接续判断是否停机步骤。所述动态信息参数可以为温度、压力、湿度、浓度、氧化剂流量、燃料流量、电堆各个单电池的电压中的全部或者一部分，也可以为使用者根据自己的特殊需求特殊定义的内容。如本实施例将图1中所示的多通道电子开关1和平台总控制装置9的功能合二为一，可减少系统体积及复杂的电线连接。

本发明方法被用于测试多套DMFC系统交流阻抗时，能够对多套DMFC系统电堆中的每一节单电池实施交流阻抗测试。

图3为单节电池交流阻抗测试原理示意。图3中10表示某一直接醇类燃料电池系统中电堆的任意一节单电池，其中11为阳极、12为质子交换膜、13为阴极、14为空气、15为甲醇水溶液。燃料电池堆中的电池都是串联的，即每一节电池的阳极与邻接电池的阴极电相连，而阴极则与邻接电池的阳极相连。因此，在实际连接中，图3中的阳极11的电引线，实际上与邻节电池的阴极相连；同理，图3中阴极13的电引线，实际上与邻节电池的阳极相连。

在燃料电池中，对于电的传导存在三大阻抗成分。其一是电子或质子在通过电极、双极板、扩散层及膜时表现的阻抗，在此统称膜阻抗；其二是在电极上伴随燃料及氧化剂在传质过程中为了提高其活性而损失能量所形成的(电化学反应)阻抗，在此统称反应阻抗；其三是，燃料电池实际上是一个以膜为电介质的电容器，对于直流电它是绝缘体，但对于交流电信号，它是导体并具有一定的交流阻抗，在此统称容抗。在燃料电池技术的实用化中一项非常现实的问题是如何尽可能提高重量及体积比功率(即提高电池效率，同时减小体量)，同时又如何尽可能提高电池运行的稳定性。由于燃料电池的特征是大电流放电，因而尽可能减小膜阻抗及反应阻抗，对减小内耗进而减小系统热管理负担、提高系统发电效率及体积、重量比功率具有实际意义。而这一性能不是一层不变的，它在电池实际运行中根据不同的操作条件发生不同的变化，因而动态追踪在运行过程中其阻值的变化是非常重要的事情。

由图3可以看出，对于直流电流来讲上述三部分阻抗实际上是串联在一起的，因而无法用直流测量的方式直接测量其阻值。然而，对于交流信号不存在这个问题，可以通过变频测量数据求解联立方程组的方式得出各个阻抗的值。

图4表示对于交流信号的燃料电池(单电池)的简化等效阻抗电路。16表示燃料电池的膜阻抗，它是包含了电极、双极板、扩散层及膜阻抗的总体电阻；17表示伴随燃料及氧化剂在传质过程中为了提高其活性而损失能量所形成的(电化学反应)电阻；18表示以膜为电解质、以两侧电极为极板所形成的电容器的阻抗，与电阻17并联存在。通过在两端施加两种以上频率的交流信号，可间接地计算出各个阻值。交流阻抗值一般均由交流阻抗测试装置7直接给出，其求解原理及其方法已在很多文献中论述，在此不对其做更进一步深入详细的展开说明。

本实施例中，交流阻抗测试仪装置7选用日本菊水电子生产的KFM2030型；多通道直流电子负载装置5选用日本菊水电子生产的PLZ150U型五通道电子负载装置；信号叠加开关4选用大连锐格自动化技术有限公司生产的XD-20-01型信号叠加开关；多通道开关装置1为大连锐格自动化技术有限公司生产的XQ-400-01型多通道切换开关，实际上将图1中所示的多通道电子开关1和平台总控制装置9的功能合二为一；单电池电压检测装置3选用日本菊水电子生产的KFM2151；DMFC系统信号及单电池测量信号线的通讯格式为RS485，平台总控制装置9直接与工控机1相连并受其控制将测试数据上传至工控机储存。平台总控制装置9同时与各个部件保持信号连接，保证由工控机发出的控制信号的顺利传达。

在实际运行中测试分为两步实施：

其一，是常规数据测量，即N套(实施例为10套)DMFC系统的温度、压力、流量、总电压、总电流、单电池电压等直接可读取信号通过DMFC系统信号及单电池测量信号线传至多通道切换开关装置1，多通道切换开关装置1根据控制工控计算机8的软件指令，按着第1～10DMFC系统顺序及信号类别顺序将信号逐个传递给工控计算机8储存，这些信号在工控机内按着指定顺序在指定文档“按号入座”，完成在某一时刻某一状态值的记录任务；

其二，是对所有系统电堆中单电池正常放电状态下的交流阻抗进行测试。信号叠加开关4根据工控机8的指令选择测试单元，即由交流阻抗测试装置7施加交流电压的对象第1～10DMFC系统中的某个电堆；与此同时，多通道切换开关装置1根据工控机8的指令同步完成直接醇类燃料电池系统中电堆的任意一节单电池与目标系统即第1～10DMFC系统中的某个电堆)的测试信号线的连接。那么先由交流阻抗测试装置7通过交流信号叠加线向测试目标系统施加指定频率的交流信号，该信号反映在电堆各个单电池上的作用再逐个通过DMFC系统信号线、单电池测量信号线及多通道切换开关装置1传回交流阻抗测试装置7进行计算。通过两次以上的上述操作，完成针对被测电池交流阻抗的测试与计算，测试结果逐次通过多通道切换开关装置1传递给工控机8储存。这一过程逐系统、逐电池地顺次实施，以此完成对整个十套测试对象的一轮测试。