燃料電池測試方法及對其構建靈活的測試系統

　　根據國際能源機構的一項調查，亞洲與澳大利亞2004年用作能源的石油已達1.65萬億升。該調查還顯示，自1990年起，石油的需求量每年都在上升，致使這種已近枯竭的自然資源價格不斷攀升。燃料電池作為一種替代能源，有望用于解決能源緊張的問題。

　　太空旅行是最早采用燃料電池技術的產業。早在1960年初，通用電子公司制造的質子交換膜(PEM)燃料電池就曾為NASA的GemiNI PXI技術開發出無線電接收機NI和阿波羅太空艙的電力系統提供能源。從那時開始，燃料電池技術有了長足的進步，其應用如今已遍及從筆記本電腦和MP3播放器到混合動力汽車甚至建筑物等各個領域。隨著燃料電池的應用不斷增多，設計工程師不但需要了解這種技術的原理，還應熟悉燃料電池堆(cell stack)的可靠性與功能性測試。本文主要介紹構建燃料電池測試系統的兩個主要標準：可伸縮性和隔離。

　　測試需求

　　燃料電池是一種設備，它能利用氫這種地球上最豐富的元素將化學能轉化為電能。PEM燃料電池(最常用的一種燃料電池)中，在多孔陽極(porous anode)與陰極之間有一層電解膜。這層電解膜由一種允許質子通過但阻擋電子通過的特殊材料制成。PEM電池工作時，讓氫氣和氧氣分別通過陽極與陰極，從而產生電流。陽極發生接觸反應將氫氣分解為質子，這些質子通過PEM到達陰極。電子不能穿透PEM，所以會沿著其周圍的一條電路到達陰極，這條電路中電子的移動就形成了電流。

　　PEM燃料電池主要用于汽車應用中，電池堆中的每個電池單元可產生1.1V到1.23V的電壓。那么燃料電池與普通電池的差異在何處呢？普通電池只能存儲有限的電荷，因而使用時間有限，燃料電池卻不同，只要保持恒定的氫和氧供應，燃料電池就能一直提供能量。這種能夠持續產生能量的特點使燃料電池非常適合為汽車和建筑物提供能源。但有些要求能量來源十分可靠的應用就需要在使用前對燃料電池進行徹底的測試。

　　燃料電池是一種可伸縮、復雜度最低，卻能產生“很多電能”的系統。燃料電池的靈活性也決定了，為保證安全、長期使用，需要有一種靈活的方法對其進行測試。因此，在能添加I/O點的模塊化平臺上構建燃料電池測試應用就顯得至關重要。

　　除了應具備模塊化和可伸縮的特性外，測試系統還應該既能測量整個電池堆的電壓也能測量每個電池單元的電壓。電池堆的每個單元中，氫氣和氧氣通過陽極和陰極的流速都不同，因此每個單元提供的電壓也不同。于是，監測這些電壓，從而了解每個單元是否工作正常，以及控制氣體流速以達到能源產生的最佳狀態，這些都十分重要。除了氣體流速之外，對燃料電池的溫度也必須加以控制。以PEM燃料電池為例，60℃到80℃就是最佳工作溫度。

圖1：各種燃料電池的工作過程

　　要保證對整個電池堆電壓的測量可靠，就要求測試系統的通道-地之間有足夠的隔離度，而且系統擁有足夠的抑制共模信號的能力。雖然每個電池單元產生的電壓可能還不超過1V，但多個電池單元堆疊起來卻可能輸出很高的電壓和電流。高性能的電池堆中往往包含成百上千個單元。因此，要準確體現燃料電池堆的特性，系統必須能在大共模電壓下(往往高達幾百伏)對小電壓進行多通道測量。