1． 前言 隨著科學技術的發展，人類對于宇宙物質的宏觀世界和微觀世界的認識不斷加深，蘊藏在物質中的無限能源也不斷地被開發出來，各種新能源不斷出現。 燃料電池作為一種新型能源，有著發電效率高、無污染的優點，同時燃料電池現在造價還比較高，壽命還不夠長，功率還比較小。但是，在環境保護和經濟發展并重的今天，研制和發展燃料電池有著重大的意義。 2． 燃料電池的基本原理 燃料電池是一種化學電池，由于它的工作物質主要是可燃性氣體——氫氣，因此它被稱為燃料電池。燃料電池是通過電化學反應將化學能直接轉化為低壓直流電能的裝置。燃料電池是由含催化劑的陽極、陰極和離子導電的電解質構成。以氫氧燃料電池為例；當陽極和陰極連接負載時，氫在陽極氧化，氧氣在陰極還原，電子從陽極通過負載流向陰極構成電回路，產生電能而驅動負載工作。燃料電池與一般干電池的不同點是，只要保持燃料供應，電池就會不斷工作提供電能。而且電池反應的最終產物僅僅是水，對環境不造成污染。以碳氫化合物作燃料時，反應產物增加少量二氧化碳。 3．燃料電池的測試 　　在研究、開發、制造和應用部門中，不同的部門他們的總目標各有不同，但是，他們對于燃料電池的檢測和監視項目要求卻是相似的。比如說，對于研發部門，要求測試燃料電池的輸出能量、使用壽命和電池組的耐用性；對于產業化研究，主要任務是確定大量燃料電池產品的制備方法和降低燃料電池堆的成本；對于生產應用，要求燃料電池符合汽車設計，航空運用等的要求；而在實際使用中，監測燃料電池的使用壽命和工作狀態是至關重要。 在進行燃料電池研究測試時，有許多項目需要進行測試，比如測試燃料電池的電壓，輸出電流，溫度，還要測量和控制電池單元每一個膜片的濕度等。 日本橫河電機株式會社（YOKOGAWA）是一個全球著名的工業自動化控制、測量、和信息系統的領導者，她提供的MX100　DAQMASTER為我們提供了詳細的燃料電池研究測試方案。 4．電池電壓監視 (CVM) 在燃料電池中，每個電池只輸出0.8~1.5VDC的電壓，為了輸出足夠的電力，燃料電池組一般由約一百個單片電池組成，在一些特殊的場合，特別是汽車應用，電池組會由六百個單片電池構成。CVM系統通過測試電池組結構中每個單片電池的電壓可以檢測出有問題的電池；解析現場或帶負荷長時間運行時的電池性能。 檢測電池電壓時使用差動輸入。雖然單片電池的電壓不高，可是差動輸入端子對測試儀表地端會產生幾百伏的電壓。這種電壓被稱為共模電壓。多數數據采集儀器 (DAQ) 沒有絕緣，輸入電壓限制范圍一般是5伏或10伏。另外，非絕緣儀器經常容易受接地環路的影響。為了克服燃料電池CVM系統中高共模電壓的問題，要求高電壓絕緣。 同時實現高電壓絕緣和多通道的DAQ系統的設計是一個難題，因為大多數數據采集儀器模塊使用單一A-D 轉換器與前端倍增或掃描組合，高共模電壓信號在經過絕緣變壓器(isolation transformer)和A-D轉換器實現絕緣和離散化之前一定要通過切換繼電器。 MX100 DAQMASTER可以提供最高水準的通道對地，模塊間和通道間隔離，它的模塊化結構和標準軟件使MX100很容易實現幾百上千伏電池電壓的監視。MX100　DAQMASTER使用橫河專利技術的固態繼電器(SSR)、絕緣變壓器和積分式A-D 轉換器，可以保證1500VDC負荷電壓下的連續正常工作，保證切換的穩定性，并能提供高性能的絕緣和4通道的同期采樣。 5．電池溫度的監視 對于任何不同種類的燃料電池(PEM, SOFC, 等)，為了最大限度的提高性能和防止過熱，溫度的監視和管理都是非常重要的課題。這里介紹的溫度測量適合燃料電池系統的各個組成部分，從電堆本身到供氣裝置，重整器，變頻器。在有些場合也包括一些熱電部件。 因此，測試過程中經常會需要幾百個熱電偶或RTD測量通道，這樣一來，MX100　DAQMASTER這種小型，模塊化，可再構筑的數據采集系統是最理想的。MX100 DAQMaster 的通用輸入可以對應各種熱電偶，選用不同模塊，可以很容易的構建有上百或上千的熱電偶通道的系統，并通過以太網從PC監視所有通道。 6．過程控制和監視 燃料電池測試站的核心是過程控制監視系統。這些系統的大多數將控制I/O信號集中到1臺主PC，這臺PC 作為測試系統的主要用戶接口。由于燃料電池和測試系統的種類和結構多樣，通道數和傳感器的配置也各不相同，但是它們的信號都是同樣的。比如熱電偶或RTD檢測的溫度，壓力，濕度，流量和數字I/O。 在MX100　DAQMASTER中，設計有最佳控制I/O系統需要：a)專門的測量技術，b)多樣的輸入輸出結構，c)網絡或PC故障時防止數據丟失的機構，d)強有力的軟件支持；使用應用軟件MX Logger最多可以連接20臺MX100(1200通道)的連接，還可以使用Visual Basic 或 C/C++編程時可以實現更多通道系統來滿足測試中的需求。 7. 燃料電池測試系統的開發 燃料電池系統控制中I/O是主要組成部分，另外，在燃料電池系統中會有很多其他的非主要控制部分，比如信號曲線顯示，信號數據處理等。為了有效的將所有的硬件用通訊總線組合，大多數燃料電池測試系統使用例如Visual Basic, LabVIEW, C/C++的程序語言或例如Intellution和Wonderware公司的HMI/SCADA軟件包。 運用MX100 DAQMASTER的控制I/O系統完全支持上述軟件包的編程，并提供API函數和OPC接口方便用戶進行開發。 8．小結 能源、環保、交通等原因對燃料電池的發展起了極大的推動作用，二十一世紀燃料電池將成為重要的高新科技得以飛速發展，同時也會帶動測試儀器和測試技術的發展。 參考資料： 1. , T&M Division, Yokogawa Corporation of America，2003.4 2. Http://www.ysh.com.cn/, 2003. 10