专利名称：一种燃料电池测试用负载的控制方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池测试用负载的控制方法。
背景技术：
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。
该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly,简称MEA)， 膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如 碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催 化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生 成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并 在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移 穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化 剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在 催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子 与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子 交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子
(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外， 质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合 而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移 过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交 换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达
阳极反应H2—2H++2e阴极反应l/202+2H++2e—H20
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA) —般均放在两块导电的 极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形 成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石 墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入 膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中， 只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流 板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上 的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电 池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常 可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的 电池组中， 一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极 导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。 一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端 板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括；Q)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通
道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体) 和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；
(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电 池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出 电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气 体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常， 将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两 个端板上。
质子交换膜燃料电池既可以用作车、船等运载工具的动力系统，又可用作移 动式或固定式发电站。
质子交换膜燃料电池一般由若干个单电池组成，将这些单电池以串联或并联 的方式连接起来构成质子交换膜燃料电池堆，将质子交换膜燃料电池堆与其他运行支持系统组合起来构成整个质子交换膜燃料电池发电系统。
燃料电池在使用前必须经过测试检测，目前的测试方法通常是将数个负载 部分串联，再并联，或部分并联再串联，连接到测试站上，负载导通时通常是 数个电阻一起导通，难以精确控制到每个电阻上，使总电阻的可调范围有限。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种总电阻 范围可控，安全可靠的燃料电池测试用负载的控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现 一种燃料电池测试用负载的 控制方法，包括CPU、 CAN总线或其他通讯总线接口，其特征在于，还包括
若干个负载、电子开关和光电耦合驱动电路，所述的CAN总线或其他通讯总 线接口通过CPU连接各负载，各负载分别连接一光电耦合驱动电路和一电子开 关，通过通讯端口设置，CPU控制开启负载的导通数量，实现调节耗功负载的 大小。
所述的通讯总线接口 CAN总线、RS232或USB通讯总线接口 。 所述的负载为耗电器，包括电阻、灯泡、水箱或空调。 所述的负载个数为100 1000个。
所述的负载导通的个数根据测试需要进行自由控制，使耗功负载的大小可 在0.1 Q 100Q范围变动。
所述的电子开关驱动无火花，对氢气安全。
所述的上位机采用智能CAN接口卡，该CAN接口卡连接两路CAN总线。 与现有技术相比，本发明通过CAN总线或其他通讯总线接口的设置，使 CPU控制开启负载的导通数量，总电阻的范围可控，实现了自由调节功耗负载 的大小，同时采用电子驱动无火花，对于易短路的电子开关，由于每个电子开 关均与负载热电阻串联，所以即使某个电子开关发生短路也不影响整个测试系 统，对采用氢气和氧气为原料的燃料电池特安全可靠，无短路的可能。
图1为本发明的结构示意图；图2为本实用新型实施例1中伏安曲线图3为本实用新型实施例2中功率时间曲线图。
具体实施例方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。 进行燃料电池测试的目的是确定和优化能量输出的特性，以及延长电堆的 使用寿命。在验证阶段，主要目的是优化设计以备大规模生产，以及在不降低 效率的情况下降低电堆的总成本。对于制造应用，监测电堆是为了确保它们符 合设计规范。研究、开发或制造燃料电池的科学家及工程师需要各种测量、控 制、分析及可视化工具来评估和验证燃料电池技术。燃料电池测试系统需要精
确地监测和控制成百上千次测量范围从氢燃料的流量、温度、压力和湿度到 燃料电池组的输出电压和电流。测试系统必须能够监视和控制燃料电池在各种 情况下的运行，并准确获得关于实时性能和工作特性等信息。测试系统还必须 具有灵活性的数据采集，监视及控制的能力，以精确地控制燃料电池的工作和 试验。
燃料电池测试系统先要进行各种需要信号调理的测量，然后原始信号才能 够由数据采集系统数字化。燃料电池电堆测试的一个重要特点是隔离。每个单 电池可以产生大约1伏的电压，在一个PEM中，薄膜叠在一起以提供更高的 电压，所以一组电池的电压可能达到10伏。大容量电堆具有数百个电池，从 而电压测量要求数百伏的共模抑制。因此，测试不仅必须具有多个每个通道都 能够读取l-10伏的通道，而且必须保持电堆中第一个和最后一个电池之间高达 数百伏的隔离。因为燃料电池测试系统的通道数目可以从IOO个到1000多个， 所以数据采集系统还必须能够扩展。这些系统也要求可以进行信号的衰减和放 大。对于今天的测试系统，模块化也是必需的；系统必须能够随着生产及验证 技术的变革而变革。任何测试系统都应该进行标定，以确保测量有效和准确。 从上述原则可以很明显地看出，只监视电压不足以确定燃料电池的特性和控制 燃料电池。另外还需要监视输出电流，因为输出电流可能非常高。
图1中包括CPU电路U1、 CAN总线或其他通讯总线接口 U2、电子开关 电路VI、 V2、 V3…Vn，光电耦合驱动电路Gl、 G2、 G3…Gn，负载热电阻Rl、 R2、 R3…Rn。 实施例1
如图1所示， 一种燃料电池测试用负载的控制方法，包括CPU电路U1、 CAN总线U2，还包括1000个负载热电阻R1、 R2、 R3…R1000、电子开关V1、 V2、 V3...V1000和光电耦合驱动电路Gl、 G2、 G3…G1000，所述的CAN总 线U2接口通过CPU电路U1连接各限流电阻R1' 、 R2' 、 R3' ...RIOOO，， 各限流电阻R1' 、 R2' 、 R3' ...RIOOO，分别连接一光电耦合驱动电路Gl、 G2、 G3...G1000和一电子开关VI、 V2、 V3…V1000，通过MOSFET电子开关 VI、 V2、 V3…V1000控制负载热电阻R1、 R2、 R3...R1000的通断，通过通讯 端口设置，CPU控制开启负载R1、 R2、 R3...R1000的导通数量，使耗功负载 的大小可在0.1Q 100Q范围变动。
负载热电阻R1 R100的功率为0.5KW，负载热电阻R101 R200的功率 为1KW，负载热电阻R301 R400的功率为2KW，……负载热电阻R801 R900 的功率为7KW，负载热电阻R901 R950的功率为8KW，负载热电阻R951 R960的功率为8KW， R961 R970的功率为9KW ， R971 R980的功率为1OKW， R981 R985的功率为20KW， R986 R990的功率为30KW，负载热电阻R991 R994的功率为40KW，负载热电阻R995 R1000的功率分别为50KW IOOKW。
由于各负载热电阻R1 R1000并联，且电阻功率范围从0.5KW 100KW，
故可以快速精确地按不同方式加载测试。
模拟燃料电池用做车用发动机在车辆起步匀加速阶段时电流线性增加，预 先设定好程序，通过CPU自动控制MOSFET电子开关开启或关闭负载热电阻， 以每次0.5KW的幅度逐步增加负载，观察伏安曲线和功率曲线(参见图2)， 判断待测燃料电池性能好坏。
实施例2
将所述的负载热电阻R1、 R2、 R3…Rn中的R1 R10串联，R11 R15串 联，R16 R18串联，可根据需要将负载热电阻部分先串联然后再并联。模拟 燃料电池用做车用发动机在车辆运行情况进行加载测试，预先设定好程序，通 过CPU自动控制IGBT电子开关开启或关闭负载热电阻，在冷态状态下，开启60KW负载热电阻两分钟，关闭该负载热电阻，怠速15分钟，以每次0.5KW 的幅度逐步增加负载到18KW运行两分钟，继续增加到32KW运行两分钟，再 增加到50KW运行两分钟，然后增加到65KW运行两分钟，最后增加到80KW 运行60分钟后，将负载降到到50KW运行两分钟突然增加到100KW运行4分 钟，然后逐步关闭部分负载，直至负载全部关闭，15分钟后，将80KW负载热 电阻开启两分钟然后关闭，再开启两分钟然后关闭，如此循环测试3次，观察 功率时间曲线图(参见图3)，判断待测燃料电池性能好坏。
所述的总线接口可采用其他通讯总线接口，包括RS232或USB通讯总线 接口。
所述的负载为耗电器，还包括灯泡、水箱或空调等。
权利要求
1. 一种燃料电池测试用负载的控制方法，包括CPU、通讯总线接口，其特征在于，还包括若干个负载、电子开关和光电耦合驱动电路，所述的通讯总线接口通过CPU连接各负载，各负载分别连接一光电耦合驱动电路和一电子开关，通过通讯端口设置，CPU控制开启负载的导通数量，调节耗功负载的大小。
2. 根据权利要求1所述的一种燃料电池测试用负载的控制方法，其特征 在于，所述的通讯总线接口 CAN总线、RS232或USB通讯总线接口。
3. 根据权利要求1所述的一种燃料电池测试用负载的控制方法，其特征 在于，所述的负载为耗电器，包括电阻、灯泡、水电阻、电热丝、电机或空调。
4. 根据权利要求1所述的一种燃料电池测试用负载的控制方法，其特征 在于，所述的负载个数为10 1000个。
5. 根据权利要求1所述的一种燃料电池测试用负载的控制方法，其特征 在于，所述的负载导通的个数根据测试需要进行自由控制，使耗功负载的大小 可在0.1 Q 100Q范围变动。
6. 根据权利要求1所述的一种燃料电池测试用负载的控制方法，其特征 在于，所述的电子开关驱动无火花，对使用氢气测试燃料电池很安全。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池测试用负载的控制方法，包括CPU、通讯总线接口，还包括若干个负载、电子开关和光电耦合驱动电路，所述的通讯总线接口通过CPU连接各负载，各负载分别连接一光电耦合驱动电路和一电子开关，通过通讯端口设置，CPU控制开启负载的导通数量，实现调节耗功负载的大小。与现有技术相比，本发明使燃料电池测试用负载大小可自由控制，无短路故障，无火花，安全可靠。
文档编号H01M8/00GK101453024SQ20071017130
公开日2009年6月10日 申请日期2007年11月29日 优先权日2007年11月29日
发明者付明竹, 胡里清 申请人:上海神力科技有限公司