專利名稱：直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核平臺及其考核方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)考核技術(shù)，具體的說是一種直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通 道連續(xù)考核平臺及其考核方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)反應(yīng)裝置。根據(jù)電解質(zhì)種 類的不同，燃料電池可劃分為很多類型，如質(zhì)子交換膜燃料電池，固體氧化物燃料電池，熔 融碳酸鹽燃料電池，堿性燃料電池等。質(zhì)子交換膜燃料電池采用可以傳到質(zhì)子的聚合物高 分子膜為電解質(zhì)，陽極側(cè)通入氫氣或者小分子醇類，作為反應(yīng)燃料，陰極則通入氧氣，作為 氧化劑。以甲醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池又被稱為直接甲醇燃料電池(DMFC)。在DMFC 工作過程中，陽極側(cè)的甲醇燃料在電催化劑的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)生成質(zhì)子、電子以及其 他副產(chǎn)物，質(zhì)子透過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極，而電子則通過外電路傳遞到陰極，到達(dá)陰極的 質(zhì)子和電子與陰極的氧氣在電催化劑的作用下發(fā)生還原反應(yīng)生成水，從而為外電路持續(xù)供 H1^ ο近年來，隨著DMFC技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，其存在的一些問題已經(jīng)在一定程度上 得到解決或者在不斷的削弱。然而，就在將DMFC技術(shù)推向?qū)嶋H應(yīng)用的時(shí)候，對其組成系統(tǒng) 進(jìn)行性能、壽命及其經(jīng)時(shí)變化性等全方位的考核是必不可少的過程，而且為了防止偶然因 素導(dǎo)致的對同一類型DMFC系統(tǒng)的性能做出誤判，往往需要對其中的多臺產(chǎn)品進(jìn)行同步考 核。從DMFC的反應(yīng)原理及其外圍的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，DMFC系統(tǒng)的運(yùn)行涉及電化學(xué)、化學(xué)工 程、電工、電子、機(jī)械、控制硬件、控制軟件等多方面內(nèi)容。因此，在其運(yùn)行過程中，諸多影響 因素都會對其性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。也就是說，對DMFC系統(tǒng)產(chǎn)品的運(yùn)行過程進(jìn)行縝密 的考核并非簡單，而對多臺系統(tǒng)產(chǎn)品同步實(shí)施長時(shí)間不間斷的連續(xù)考核更是一件復(fù)雜的事 情。目前，有不少廠家已經(jīng)研制了較大型設(shè)備，用于燃料電池電堆的連續(xù)不間斷考核。但針 對DMFC系統(tǒng)的考核裝置尚未見問世，針對多臺系統(tǒng)同步實(shí)施考核的平臺更是未見有人提 及。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的沒有針對DMFC系統(tǒng)的考核裝置的不足之處，本發(fā)明要解 決的技術(shù)問題是提供一種用作多臺系統(tǒng)產(chǎn)品的同步連續(xù)不間斷考核的直接甲醇燃料電池 系統(tǒng)多通道連續(xù)考核平臺及其考核方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核平臺包括多通道切換開關(guān)裝置、 信號切換開關(guān)、單電池電壓監(jiān)測裝置、信號疊加開關(guān)、多通道直流電子負(fù)載裝置、交流阻抗 測試裝置、平臺總控制裝置以及工控機(jī)，其中多通道電子開關(guān)裝置，在平臺總控制裝置的控制下，接收多個(gè)甲醇燃料電池系統(tǒng)
4中燃料電池電堆的每個(gè)單電池的弱電信號；信號切換開關(guān)，輸入端與多通道電子開關(guān)裝置的輸出端相連，在平臺總控制裝置 的控制下，輸出端分別接至單電池電壓監(jiān)測裝置或交流阻抗測試裝置；單電池電壓監(jiān)測裝置，在平臺總控制裝置的控制下，對甲醇燃料電池系統(tǒng)信號進(jìn) 行電壓監(jiān)測；信號疊加開關(guān)，在平臺總控制裝置的控制下，輸入端分別與多個(gè)甲醇燃料電池系 統(tǒng)的功率輸出端相連；多通道直流電子負(fù)載裝置，與信號疊加開關(guān)的輸出端相連，在平臺總控制裝置的 控制下，分別獨(dú)立設(shè)置各自的工作狀態(tài)；交流阻抗測試裝置，在平臺總控制裝置的控制下，對信號切換開關(guān)輸出的某一單 節(jié)電池進(jìn)行阻抗測量；工控機(jī)和平臺總控制裝置，平臺總控制裝置接收上位機(jī)的指令，并將其下達(dá)到上 述各部件。本發(fā)明還具有交流電源裝置，其輸出端與信號疊加開關(guān)相連，控制端與平臺總控 制裝置相連。所述多通道電子開關(guān)裝置具有多套輸入端及1套輸出端；或者，信號切換開關(guān)具有一套輸入端及兩套輸出端，并內(nèi)含多路同步和非同步切 換開關(guān)群；或者，單電池電壓監(jiān)測裝置具有多路輸入端子群及單路輸出端子群。信號疊加開關(guān)具有兩套輸入端子群、一套輸出端子群和內(nèi)置開關(guān)群，兩套輸入端 中的一套具有2XN個(gè)接點(diǎn)。本發(fā)明直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核方法包括以下步驟將多個(gè)直接甲醇燃料電池系統(tǒng)與考核平臺中的多通道電子開關(guān)裝置依次相連 接；運(yùn)行中的被測燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)信息參數(shù)通過數(shù)據(jù)通訊導(dǎo)線族送至多通道電 子開關(guān)裝置；多通道電子開關(guān)裝置根據(jù)來自上位機(jī)下傳給平臺中控制裝置的控制信號選擇某 一系統(tǒng)的信息向下游各測試單元傳遞，而其他系統(tǒng)的信息將暫時(shí)被擱置；工控機(jī)根據(jù)預(yù)先編制好的順序向多通道電子開關(guān)裝置發(fā)出信號，使各被測直接甲 醇燃料電池系統(tǒng)的信號族按著指定的系統(tǒng)排序依次測量；由多通道電子開關(guān)裝置按照工控機(jī)指令篩選的指定直接甲醇燃料電池系統(tǒng)的全 部信息中電堆單電池電壓信息送至信號切換開關(guān)；信號切換開關(guān)根據(jù)工控機(jī)指令將接收的電堆單電池電壓信息送至交流阻抗測量 裝置或單電池電壓監(jiān)測裝置，如果工控機(jī)發(fā)出測量交流阻抗的指令，則信號疊加開關(guān)將交 流電源裝置發(fā)出的交流信號疊加到直接甲醇燃料電池系統(tǒng)中的電堆兩端，使該燃料電池電 堆的直流發(fā)電狀態(tài)人為地受到擾動；交流阻抗測試裝置通過測量每一節(jié)單電池的電壓狀態(tài)直接給出交流阻抗值，并通 過平臺總控制裝置傳輸給工控機(jī)儲存；判斷是否停機(jī)，如果停機(jī)，則結(jié)束本次考核過程。
如果沒有停機(jī)，則轉(zhuǎn)至運(yùn)行中的被測燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)信息參數(shù)通過數(shù)據(jù)通訊 導(dǎo)線族送至多通道電子開關(guān)裝置步驟；如果工控機(jī)沒有發(fā)出測量交流阻抗的指令，則信號切換開關(guān)將信號切換至單電池 電壓監(jiān)測裝置；單電池電壓數(shù)據(jù)通過平臺總控制裝置整理后被送至工控機(jī)儲存；接續(xù)判斷是否停機(jī)步驟。所述全部信息包括電堆單電池電壓信息、溫度信息、壓力信息、流量信息以及濃度 fn息O由多通道電子開關(guān)裝置按照工控機(jī)指令，將直接甲醇燃料電池系統(tǒng)的電堆單電池 溫度信息、壓力信息、流量信息以及濃度信息送至平臺總控制裝置整理后儲存至工控機(jī)；接續(xù)判斷是否停機(jī)步驟。所述動態(tài)信息參數(shù)可以為溫度、壓力、濕度、濃度、氧化劑流量、燃料流量、電堆各 個(gè)單電池的電壓中的全部或者一部分，也可以為使用者根據(jù)自己的需求定義的內(nèi)容。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明提出了一種分時(shí)控制式DMFC系統(tǒng)多通道連續(xù)考核平臺，將該平臺應(yīng)用 于多套DMFC系統(tǒng)的測試和考核時(shí)，解決了原來的測試程序復(fù)雜、連續(xù)對多臺燃料電池系統(tǒng) 測試時(shí)連接線更換不便、測試結(jié)果數(shù)據(jù)量繁多、記錄與整理數(shù)據(jù)困難等一系列問題。另外， 該考核平臺還可對燃料電池電堆中的每一節(jié)單電池實(shí)施交流阻抗在線測試，達(dá)到了對DMFC 系統(tǒng)連續(xù)考核的目的。


圖1為本發(fā)明直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核平臺結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核方法流程圖；圖3為本發(fā)明方法中交流阻抗測試示意圖；圖4為本發(fā)明考核平臺中燃料電池(單電池)的交流阻抗等效電路。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用分時(shí)控制方式建立一種直接甲醇燃料電池(DMFC)系統(tǒng)多通道連續(xù)考 核平臺，并將其用作多臺系統(tǒng)產(chǎn)品的同步連續(xù)不間斷考核。本發(fā)明DMFC系統(tǒng)的多通道連續(xù)考核平臺主要由多通道電子開關(guān)裝置1、信號切換 開關(guān)2、單電池電壓監(jiān)測裝置3、信號疊加開關(guān)4、多通道直流電子負(fù)載裝置5、交流電源裝置 6、交流阻抗測試裝置7、工控機(jī)8、平臺總控制裝置9及連接導(dǎo)線族組成，連接方式如圖1所 示，其中多通道電子開關(guān)裝置1，在平臺總控制裝置9的控制下，接收多個(gè)甲醇燃料電池系 統(tǒng)的弱電信號；信號切換開關(guān)2，輸入端與多通道電子開關(guān)裝置1的輸出端相連，在平臺總控制裝 置9的控制下，輸出端分別接至單電池電壓監(jiān)測裝置3或交流阻抗測試裝置7 ；單電池電壓監(jiān)測裝置3，在平臺總控制裝置9的控制下，對甲醇燃料電池系統(tǒng)信號 進(jìn)行電壓監(jiān)測；
信號疊加開關(guān)4，在平臺總控制裝置9的控制下，輸入端分別與多個(gè)甲醇燃料電池 系統(tǒng)的功率輸出端相連，并接收交流電源裝置6的交流信號；多通道直流電子負(fù)載裝置5，與信號疊加開關(guān)4的輸出端相連，在平臺總控制裝置 9的控制下，分別獨(dú)立設(shè)置各自的工作狀態(tài)；交流電源裝置6，輸出端與信號疊加開關(guān)4相連，控制端接有平臺總控制裝置9 ；交流阻抗測試裝置7，在平臺總控制裝置9的控制下，對信號切換開關(guān)2輸出的某 一單節(jié)電池進(jìn)行阻抗測量；工控機(jī)8和平臺總控制裝置9，平臺總控制裝置9接收工空機(jī)8的指令，并將其下 達(dá)到上述各部件。上述分時(shí)控制式DMFC系統(tǒng)的多通道連續(xù)考核平臺中的各個(gè)組成部分，可以是各 自獨(dú)立的設(shè)備單元，也可以相互間組合成的功能疊加的合成裝置。上述連接導(dǎo)線族分為信號線族與功率線族。圖1中細(xì)點(diǎn)線表示信號線族，主要傳 輸傳感器及控制指令等弱電類信號，而細(xì)實(shí)線表示功率線族，用于傳輸較強(qiáng)的動力電流。在 弱電及強(qiáng)電的布線上可以采取共地模式也可以采取非共地模式。為了使圖示盡可能清晰， 在本實(shí)施例以共地模式為例進(jìn)行敘述。被測的DMFC系統(tǒng)Sysl SysN，其每一個(gè)系統(tǒng)均由電堆和支撐部件群所構(gòu)成。每 個(gè)系統(tǒng)由支撐部件中的E⑶(Electro Control Unit)單元(Ε⑶屬于DMFC系統(tǒng)支撐部件的 一部分)實(shí)施自動運(yùn)行控制，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的溫度、壓力、濃度、流量、總電流、總電壓 等數(shù)據(jù)也由ECU按一定的周期進(jìn)行采集并整理后，按一定的信號格式通過信號排線向系統(tǒng) 外傳輸。每個(gè)系統(tǒng)還具有功率輸出端，它除了向外輸出大電流外，外界交流信號也能夠通過 同一端口向電堆兩端施加干擾以測量各電池的交流阻抗。多通道電子開關(guān)裝置1的輸入端有N套，N的數(shù)值根據(jù)研究需求可任意設(shè)定，每 一套輸入端由多個(gè)接線端子所構(gòu)成與來自DMFC系統(tǒng)的弱電信號線相連。這些弱電信號包 括溫度、壓力、濃度、流量、總電流、總電壓等數(shù)據(jù)及電堆中所有單電池的電壓數(shù)據(jù)群。接線 端子的數(shù)量根據(jù)信號格式精度要求可以任意設(shè)定。多通道電子開關(guān)裝置1的輸出端只有1 套，其結(jié)構(gòu)與上述的任意一套輸入端相同。多通道電子開關(guān)裝置1內(nèi)藏有多路同步切換開 關(guān)群，能夠受控將Sysl SysN中的任意一套數(shù)據(jù)線族與輸出端相連接。信號切換開關(guān)2具有一套輸入端及兩套輸出端，并內(nèi)藏有多路同步、非同步切換 開關(guān)群，其工作受平臺總控制裝置9的控制。當(dāng)系統(tǒng)需要測某一套DMFC電堆系統(tǒng)中各節(jié)單 電池的電壓時(shí)，多路同步切換開關(guān)群受控將輸入端與單電池電壓監(jiān)測裝置3相連接；而當(dāng) 需要檢測交流阻抗時(shí)，則多路同步切換開關(guān)群受控將切斷輸入端與單電池電壓監(jiān)測裝置3 相連接，同時(shí)根據(jù)平臺總控制裝置9的指令將某一系統(tǒng)中某一節(jié)單電池的電壓測量端與交 流阻抗測試裝置7相連接。單電池電壓監(jiān)測裝置3具有多路輸入端子群及單路輸出端子群。輸入端的端子數(shù) m與電堆的單電池節(jié)數(shù)S相關(guān)；其關(guān)系可以是m = 2X s，也可以是m= s+1。取何種形式， 取決于單電池電壓監(jiān)測裝置3的設(shè)計(jì)模式。借助多通道電子開關(guān)裝置1及信號切換開關(guān)2 的幫助，Sysl SysN中任意一臺電堆的任意一節(jié)單電池兩端能夠與輸入端子群相連以便 直接讀取每一節(jié)單電池的電壓。該裝置內(nèi)的信息處理單元將這些電壓數(shù)據(jù)按著某一順序排 列，并按指定的信號格式(如RS-232或RS-485等)通過輸出端子傳給平臺總控制裝置9。
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信號疊加開關(guān)4具有兩套輸入端子群、一套輸出端子群和內(nèi)置開關(guān)群。兩套輸入 端中的一套具有2XN個(gè)接點(diǎn)，分別與Sysl SysN電堆兩端的功率輸出端相連，接受電堆 的功率輸出電流；另一套則與交流電源裝置6相連，接受交流信號。輸出端則與多通道直流 電子負(fù)載裝置5相連。一般運(yùn)行時(shí)，Sysl SysN的輸出電流通過開關(guān)群分別連接到多通 道直流電子負(fù)載裝置5。當(dāng)需要測試單電池的交流阻抗時(shí)，來自交流電源裝置6的交流信號 通過內(nèi)置疊加開關(guān)受控疊加到待測電堆的兩端。多通道直流電子負(fù)載裝置5由多個(gè)電子負(fù)載組合而成，一般根據(jù)被測DMFC系統(tǒng)的 臺數(shù)而確定，通常為N，可根據(jù)平臺總控制裝置9的控制信號分別獨(dú)立設(shè)置各電子負(fù)載單元 的工作狀態(tài)(如電流、電壓等)。交流電源裝置6是可任意調(diào)節(jié)其輸出頻率及振幅的交流電源裝置，具有一個(gè)輸出 端，其工作狀態(tài)受平臺總控制裝置9的控制。交流阻抗測試裝置7是用于測量某一節(jié)單電池交流阻抗的裝置，其工作要與直流 電子負(fù)載裝置5、交流電源裝置6配合實(shí)施。在測量時(shí)，根據(jù)平臺總控制裝置9按某一順序 逐系統(tǒng)逐節(jié)分時(shí)實(shí)施。工控機(jī)8與平臺總控制裝置9可以是一體，也可以是分體。平臺總控制裝置9具 有接受工控機(jī)8的指令并將其下達(dá)到多通道電子開關(guān)裝置1、信號切換開關(guān)2、單電池電壓 監(jiān)測裝置3、信號疊加開關(guān)4、多通道直流電子負(fù)載裝置5、交流電源裝置6以及交流阻抗測 試裝置7的功能，還具有接受上述各個(gè)裝置上傳數(shù)據(jù)并整理后按指定格式輸給工控機(jī)8的 功能。在本平臺運(yùn)行中，燃料電池系統(tǒng)群Sysl SysN的傳感器類信號群，通過多通道電 子開關(guān)裝置1及信號切換開關(guān)2選擇連接至單電池電壓監(jiān)測裝置3或交流阻抗測試裝置7 ； 而傳輸動力電流的功率線則通過信號疊加開關(guān)4連接到多通道直流電子負(fù)載裝置5和交流 電源裝置6，除了測試交流阻抗時(shí)外，功率線常時(shí)與多通道直流電子負(fù)載裝置5相連，以保 證燃料電池系統(tǒng)處于荷載狀態(tài)。多通道直流電子負(fù)載裝置5的各個(gè)通道載荷功率，由工控 機(jī)8通過平臺總控制裝置9實(shí)施動態(tài)控制。本發(fā)明直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核平臺利用分時(shí)順序測量原理用一 套考核平臺對多套DMFC系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)施連續(xù)不間斷的測試與記錄，具體流程如圖2所示，主 要有以下幾步驟將多個(gè)直接甲醇燃料電池系統(tǒng)與考核平臺中的多通道電子開關(guān)裝置1依次相連 接；運(yùn)行中的被測燃料電池系統(tǒng)Sysl SysN的動態(tài)信息參數(shù)通過數(shù)據(jù)通訊導(dǎo)線族送 至多通道電子開關(guān)裝置1 ；數(shù)據(jù)信息參數(shù)的種類及信號規(guī)格根據(jù)用戶要求而定，可以是溫 度、壓力、濕度、濃度、氧化劑流量、燃料流量、電堆各個(gè)單電池的電壓等中的全部或者一部 分，也可以是使用者根據(jù)自己的特殊需求特殊定義的內(nèi)容。多通道電子開關(guān)裝置1根據(jù)來自上位機(jī)8下傳給平臺中控制裝置9的控制信號選 擇某一系統(tǒng)的信息向下游各測試單元傳遞，而其他系統(tǒng)的信息將暫時(shí)被擱置以實(shí)現(xiàn)分時(shí)測 量的目的；工控機(jī)8根據(jù)預(yù)先編制好的順序向多通道電子開關(guān)裝置1發(fā)出信號，使各被測直 接甲醇燃料電池系統(tǒng)Sysl SysN的信號族按著指定的系統(tǒng)排序依次測量；這一過程可通過在電腦8上預(yù)先編制好的軟件自動循環(huán)實(shí)施，也可通過平臺總控制裝置9手動實(shí)施；由多通道電子開關(guān)裝置1按照工控機(jī)8指令篩選的指定直接甲醇燃料電池系統(tǒng)的 全部信息中電堆單電池電壓信息送至信號切換開關(guān)2，而其余部分信息(如，溫度、壓力、流 量、濃度等)被送至平臺總控制裝置9整理后儲存至工控機(jī)8 ；信號切換開關(guān)2根據(jù)工控機(jī)8指令將電堆單電池電壓信息送至交流阻抗測量裝置 7或單電池電壓監(jiān)測裝置3，如果工控機(jī)8發(fā)出測量交流阻抗的指令，則信號疊加開關(guān)4將 交流電源裝置6發(fā)出的一定頻率及振幅的交流信號通過功率線疊加到直接甲醇燃料電池 (DMFC)系統(tǒng)中的電堆兩端，使該燃料電池電堆的直流發(fā)電狀態(tài)人為地受到擾動；交流阻抗測試裝置7通過測量每一節(jié)單電池的電壓狀態(tài)直接給出交流阻抗值，并 通過平臺總控制裝置9傳輸給工控機(jī)8儲存；判斷是否停機(jī)，如果停機(jī)，則結(jié)束本次考核過程；否則如果沒有停機(jī)，則轉(zhuǎn)至運(yùn)行 中的被測燃料電池系統(tǒng)Sysl SysN的動態(tài)信息參數(shù)通過數(shù)據(jù)通訊導(dǎo)線族送至多通道電子 開關(guān)裝置1步驟；如果工控機(jī)8沒有發(fā)出測量交流阻抗的指令，則信號切換開關(guān)2將信號切換至單 電池電壓監(jiān)測裝置3;單電池電壓數(shù)據(jù)通過平臺總控制裝置9整理后被送至工控機(jī)8儲存；接續(xù)判斷是 否停機(jī)步驟。由多通道電子開關(guān)裝置1按照工控機(jī)8指令篩選的指定，將直接甲醇燃料電池系 統(tǒng)的電堆單電池溫度信息、壓力信息、流量信息以及濃度信息送至平臺總控制裝置9整理 后儲存至工控機(jī)8 ；接續(xù)判斷是否停機(jī)步驟。所述動態(tài)信息參數(shù)可以為溫度、壓力、濕度、濃 度、氧化劑流量、燃料流量、電堆各個(gè)單電池的電壓中的全部或者一部分，也可以為使用者 根據(jù)自己的特殊需求特殊定義的內(nèi)容。如本實(shí)施例將圖1中所示的多通道電子開關(guān)1和平 臺總控制裝置9的功能合二為一，可減少系統(tǒng)體積及復(fù)雜的電線連接。本發(fā)明方法被用于測試多套DMFC系統(tǒng)交流阻抗時(shí)，能夠?qū)Χ嗵譊MFC系統(tǒng)電堆中 的每一節(jié)單電池實(shí)施交流阻抗測試。圖3為單節(jié)電池交流阻抗測試原理示意。圖3中10表示某一直接醇類燃料電池 系統(tǒng)中電堆的任意一節(jié)單電池，其中11為陽極、12為質(zhì)子交換膜、13為陰極、14為空氣、15 為甲醇水溶液。燃料電池堆中的電池都是串聯(lián)的，即每一節(jié)電池的陽極與鄰接電池的陰極 電相連，而陰極則與鄰接電池的陽極相連。因此，在實(shí)際連接中，圖3中的陽極11的電引線， 實(shí)際上與鄰節(jié)電池的陰極相連；同理，圖3中陰極13的電引線，實(shí)際上與鄰節(jié)電池的陽極相 連。在燃料電池中，對于電的傳導(dǎo)存在三大阻抗成分。其一是電子或質(zhì)子在通過電極、 雙極板、擴(kuò)散層及膜時(shí)表現(xiàn)的阻抗，在此統(tǒng)稱膜阻抗；其二是在電極上伴隨燃料及氧化劑在 傳質(zhì)過程中為了提高其活性而損失能量所形成的(電化學(xué)反應(yīng))阻抗，在此統(tǒng)稱反應(yīng)阻抗； 其三是，燃料電池實(shí)際上是一個(gè)以膜為電介質(zhì)的電容器，對于直流電它是絕緣體，但對于交 流電信號，它是導(dǎo)體并具有一定的交流阻抗，在此統(tǒng)稱容抗。在燃料電池技術(shù)的實(shí)用化中 一項(xiàng)非?，F(xiàn)實(shí)的問題是如何盡可能提高重量及體積比功率(即提高電池效率，同時(shí)減小體 量)，同時(shí)又如何盡可能提高電池運(yùn)行的穩(wěn)定性。由于燃料電池的特征是大電流放電，因而 盡可能減小膜阻抗及反應(yīng)阻抗，對減小內(nèi)耗進(jìn)而減小系統(tǒng)熱管理負(fù)擔(dān)、提高系統(tǒng)發(fā)電效率及體積、重量比功率具有實(shí)際意義。而這一性能不是一層不變的，它在電池實(shí)際運(yùn)行中根據(jù) 不同的操作條件發(fā)生不同的變化，因而動態(tài)追蹤在運(yùn)行過程中其阻值的變化是非常重要的事情。由圖3可以看出，對于直流電流來講上述三部分阻抗實(shí)際上是串聯(lián)在一起的，因 而無法用直流測量的方式直接測量其阻值。然而，對于交流信號不存在這個(gè)問題，可以通過 變頻測量數(shù)據(jù)求解聯(lián)立方程組的方式得出各個(gè)阻抗的值。圖4表示對于交流信號的燃料電池(單電池)的簡化等效阻抗電路。16表示燃料 電池的膜阻抗，它是包含了電極、雙極板、擴(kuò)散層及膜阻抗的總體電阻；17表示伴隨燃料及 氧化劑在傳質(zhì)過程中為了提高其活性而損失能量所形成的(電化學(xué)反應(yīng))電阻；18表示以 膜為電解質(zhì)、以兩側(cè)電極為極板所形成的電容器的阻抗，與電阻17并聯(lián)存在。通過在兩端 施加兩種以上頻率的交流信號，可間接地計(jì)算出各個(gè)阻值。交流阻抗值一般均由交流阻抗 測試裝置7直接給出，其求解原理及其方法已在很多文獻(xiàn)中論述，在此不對其做更進(jìn)一步 深入詳細(xì)的展開說明。本實(shí)施例中，交流阻抗測試儀裝置7選用日本菊水電子生產(chǎn)的KFM2030型；多通 道直流電子負(fù)載裝置5選用日本菊水電子生產(chǎn)的PLZ150U型五通道電子負(fù)載裝置；信號疊 加開關(guān)4選用大連銳格自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的)(D-20-01型信號疊加開關(guān)；多通道開 關(guān)裝置1為大連銳格自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的XQ-400-01型多通道切換開關(guān)，實(shí)際上將 圖1中所示的多通道電子開關(guān)1和平臺總控制裝置9的功能合二為一；單電池電壓檢測裝 置3選用日本菊水電子生產(chǎn)的KFM2151 ；DMFC系統(tǒng)信號及單電池測量信號線的通訊格式為 RS485，平臺總控制裝置9直接與工控機(jī)1相連并受其控制將測試數(shù)據(jù)上傳至工控機(jī)儲存。 平臺總控制裝置9同時(shí)與各個(gè)部件保持信號連接，保證由工控機(jī)發(fā)出的控制信號的順利傳 達(dá)。在實(shí)際運(yùn)行中測試分為兩步實(shí)施其一，是常規(guī)數(shù)據(jù)測量，即N套(實(shí)施例為10套)DMFC系統(tǒng)的溫度、壓力、流量、總 電壓、總電流、單電池電壓等直接可讀取信號通過DMFC系統(tǒng)信號及單電池測量信號線傳至 多通道切換開關(guān)裝置1，多通道切換開關(guān)裝置1根據(jù)控制工控計(jì)算機(jī)8的軟件指令，按著第 1 10DMFC系統(tǒng)順序及信號類別順序?qū)⑿盘栔饌€(gè)傳遞給工控計(jì)算機(jī)8儲存，這些信號在工 控機(jī)內(nèi)按著指定順序在指定文檔“按號入座”，完成在某一時(shí)刻某一狀態(tài)值的記錄任務(wù)；其二，是對所有系統(tǒng)電堆中單電池正常放電狀態(tài)下的交流阻抗進(jìn)行測試。信號疊 加開關(guān)4根據(jù)工控機(jī)8的指令選擇測試單元，即由交流阻抗測試裝置7施加交流電壓的對 象第1 10DMFC系統(tǒng)中的某個(gè)電堆；與此同時(shí)，多通道切換開關(guān)裝置1根據(jù)工控機(jī)8的指 令同步完成直接醇類燃料電池系統(tǒng)中電堆的任意一節(jié)單電池與目標(biāo)系統(tǒng)即第1 10DMFC 系統(tǒng)中的某個(gè)電堆)的測試信號線的連接。那么先由交流阻抗測試裝置7通過交流信號疊 加線向測試目標(biāo)系統(tǒng)施加指定頻率的交流信號，該信號反映在電堆各個(gè)單電池上的作用再 逐個(gè)通過DMFC系統(tǒng)信號線、單電池測量信號線及多通道切換開關(guān)裝置1傳回交流阻抗測試 裝置7進(jìn)行計(jì)算。通過兩次以上的上述操作，完成針對被測電池交流阻抗的測試與計(jì)算，測 試結(jié)果逐次通過多通道切換開關(guān)裝置1傳遞給工控機(jī)8儲存。這一過程逐系統(tǒng)、逐電池地 順次實(shí)施，以此完成對整個(gè)十套測試對象的一輪測試。
權(quán)利要求
1.一種直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核平臺，其特征在于包括多通道切換開 關(guān)裝置(1)、信號切換開關(guān)(2)、單電池電壓監(jiān)測裝置(3)、信號疊加開關(guān)(4)、多通道直流電 子負(fù)載裝置(5)、交流阻抗測試裝置(7)、平臺總控制裝置(9)以及工控機(jī)(8)，其中多通道電子開關(guān)裝置(1)，在平臺總控制裝置(9)的控制下，接收多個(gè)甲醇燃料電池系 統(tǒng)中燃料電池電堆的每個(gè)單電池的弱電信號；信號切換開關(guān)O)，輸入端與多通道電子開關(guān)裝置(1)的輸出端相連，在平臺總控制裝 置(9)的控制下，輸出端分別接至單電池電壓監(jiān)測裝置C3)或交流阻抗測試裝置(7)；單電池電壓監(jiān)測裝置(3)，在平臺總控制裝置(9)的控制下，對甲醇燃料電池系統(tǒng)信號 進(jìn)行電壓監(jiān)測；信號疊加開關(guān)G)，在平臺總控制裝置(9)的控制下，輸入端分別與多個(gè)甲醇燃料電池 系統(tǒng)的功率輸出端相連；多通道直流電子負(fù)載裝置(5)，與信號疊加開關(guān)的輸出端相連，在平臺總控制裝置 (9)的控制下，分別獨(dú)立設(shè)置各自的工作狀態(tài)；交流阻抗測試裝置(7)，在平臺總控制裝置(9)的控制下，對信號切換開關(guān)(2)輸出的 某一單節(jié)電池進(jìn)行阻抗測量；工控機(jī)(8)和平臺總控制裝置(9)，平臺總控制裝置(9)接收上位機(jī)(8)的指令，并將 其下達(dá)到上述各部件。
2.按權(quán)利要求1所述的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核平臺，其特征在于還 具有交流電源裝置(6)，其輸出端與信號疊加開關(guān)(4)相連，控制端與平臺總控制裝置(9) 相連。
3.按權(quán)利要求1所述的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核平臺，其特征在于所 述多通道電子開關(guān)裝置(1)具有多套輸入端及1套輸出端；或者信號切換開關(guān)(2)具有一套輸入端及兩套輸出端，并內(nèi)含多路同步和非同步切換 開關(guān)群；或者單電池電壓監(jiān)測裝置C3)具有多路輸入端子群及單路輸出端子群。
4.按權(quán)利要求1所述的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核平臺，其特征在于信 號疊加開關(guān)(4)具有兩套輸入端子群、一套輸出端子群和內(nèi)置開關(guān)群，兩套輸入端中的一 套具有2XN個(gè)接點(diǎn)。
5.一種直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核方法，其特征在于包括以下步驟 將多個(gè)直接甲醇燃料電池系統(tǒng)與考核平臺中的多通道電子開關(guān)裝置(1)依次相連接； 運(yùn)行中的被測燃料電池系統(tǒng)(Sysl SysN)的動態(tài)信息參數(shù)通過數(shù)據(jù)通訊導(dǎo)線族送至多通道電子開關(guān)裝置(1)；多通道電子開關(guān)裝置(1)根據(jù)來自上位機(jī)(8)下傳給平臺中控制裝置(9)的控制信號 選擇某一系統(tǒng)的信息向下游各測試單元傳遞，而其他系統(tǒng)的信息將暫時(shí)被擱置；工控機(jī)(8)根據(jù)預(yù)先編制好的順序向多通道電子開關(guān)裝置(1)發(fā)出信號，使各被測直 接甲醇燃料電池系統(tǒng)(Sysl SysN)的信號族按著指定的系統(tǒng)排序依次測量；由多通道電子開關(guān)裝置(1)按照工控機(jī)(8)指令篩選的指定直接甲醇燃料電池系統(tǒng)的 全部信息中電堆單電池電壓信息送至信號切換開關(guān)O)；信號切換開關(guān)(2)根據(jù)工控機(jī)(8)指令將接收的電堆單電池電壓信息送至交流阻抗測量裝置(7)或單電池電壓監(jiān)測裝置(3)，如果工控機(jī)⑶發(fā)出測量交流阻抗的指令，則信號 疊加開關(guān)(4)將交流電源裝置(6)發(fā)出的交流信號疊加到直接甲醇燃料電池系統(tǒng)中的電堆 兩端，使該燃料電池電堆的直流發(fā)電狀態(tài)人為地受到擾動；交流阻抗測試裝置(7)通過測量每一節(jié)單電池的電壓狀態(tài)直接給出交流阻抗值，并通 過平臺總控制裝置(9)傳輸給工控機(jī)(8)儲存；判斷是否停機(jī)，如果停機(jī)，則結(jié)束本次考核過程。
6.按權(quán)利要求5所述的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核方法，其特征在于如 果沒有停機(jī)，則轉(zhuǎn)至運(yùn)行中的被測燃料電池系統(tǒng)(Sysl SysN)的動態(tài)信息參數(shù)通過數(shù)據(jù) 通訊導(dǎo)線族送至多通道電子開關(guān)裝置(1)步驟。
7.按權(quán)利要求5所述的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核方法，其特征在于如 果工控機(jī)(8)沒有發(fā)出測量交流阻抗的指令，則信號切換開關(guān)(2)將信號切換至單電池電 壓監(jiān)測裝置(3)；單電池電壓數(shù)據(jù)通過平臺總控制裝置(9)整理后被送至工控機(jī)(8)儲存，接續(xù)判斷是 否停機(jī)步驟。
8.按權(quán)利要求5所述的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核方法，其特征在于所 述全部信息包括電堆單電池電壓信息、溫度信息、壓力信息、流量信息以及濃度信息。
9.按權(quán)利要求5所述的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核方法，其特征在于由 多通道電子開關(guān)裝置⑴按照工控機(jī)⑶指令，將直接甲醇燃料電池系統(tǒng)的電堆單電池溫度信息、壓力信息、流量信息以及濃度信息送至平臺總控制裝置(9)整理后儲存至工控機(jī) ⑶；接續(xù)判斷是否停機(jī)步驟。
10.按權(quán)利要求5所述的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核方法，其特征在于所 述動態(tài)信息參數(shù)可以為溫度、壓力、濕度、濃度、氧化劑流量、燃料流量、電堆各個(gè)單電池的 電壓中的全部或者一部分，也可以為使用者根據(jù)自己的需求定義的內(nèi)容。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直接甲醇燃料電池系統(tǒng)多通道連續(xù)考核平臺及考核方法，包括多通道切換開關(guān)裝置、信號切換開關(guān)、單電池電壓監(jiān)測裝置、信號疊加開關(guān)、多通道直流電子負(fù)載裝置、交流阻抗測試裝置、平臺總控制裝置以及工控機(jī)，多通道切換開關(guān)裝置根據(jù)控制工控計(jì)算機(jī)的軟件指令，按著直接甲醇燃料電池系統(tǒng)順序及信號類別順序?qū)⑿盘栔饌€(gè)傳遞給工控計(jì)算機(jī)儲存，這些信號在工控機(jī)內(nèi)按著指定順序在指定文檔“按號入座”，完成在某一時(shí)刻某一狀態(tài)值的記錄任務(wù)。本發(fā)明將該平臺應(yīng)用于多套DMFC系統(tǒng)的測試和考核，解決了原來的測試程序復(fù)雜、連續(xù)對多臺燃料電池系統(tǒng)測試時(shí)連接線更換不便、測試結(jié)果數(shù)據(jù)量繁多、記錄與整理數(shù)據(jù)困難等一系列問題。
文檔編號G01R31/36GK102103189SQ200910248548
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者孫公權(quán), 李相一, 耿江濤, 高鵬 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所