燃料电池检测与监控系统

燃料电池检测与监控系统

刘超 汪涛 许昆

武汉中极氢能产业创新中心有限公司检测分公司，武汉中极氢能产业创新中心有限公司 湖北 武汉 430078

摘要：针对当前燃料电池内部需要开展尤其精确的检测与控制工作，存在很多非常复杂的燃料电池监控设备系统，但由于这些系统存在制造成本较高、存放体积过大、开展监控工作不方便等具体问题。基于此，根据当前智能化检测的时代发展趋势，对于燃料电池检测与监控系统，本文主要研究开发了根据树莓派系统平台的先进燃料电池系统智能远程管理监控系统。

关键词：燃料电池；检测；监控系统

导言：

燃料电池系统是一个复杂的系统，燃料电池工况参数如温度、气体相对湿度和压力等对燃料电池电堆的性能影响显著，而且这些参数都是动态变化的，任何一个参数出现异常都会导致电池整体性能下降。因此时刻检测单体单池电压、电流、电池堆温度、气体相对湿度和气体压力等这些工况参数的变化则显得很有必要。为此，本文就针对燃料电池检测与监控系统展开探析。

1 燃料电池的工作原理

燃料电池是以燃料作为还原剂，空气或氧气作为氧化剂，在催化剂的作用下，将化学能转变为电能的一种发电装置。

现以质子交换膜燃料电池为例，为质子交换膜燃料电池结构图，氢气从阳极输入，经过气体扩散层，在催化剂的作用下，氢气分子分解出质子和电子，电子经过外电路向正极移动，质子经过质子交换膜向阴极移动，阳极化学反应方程式如式（1）所示。

Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^-（1）

氧气从阴极输入，经过气体扩散层，在催化剂的作用下，氧气分子和从质子交换膜传输过来的质子以及从外电路传输过来的电子结合生成水并释放热―，从而构成一个完整的放电回路，阴极化学反应方程式如式（2）所示。

1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O（2）

电池中的化学反应总方程式如式（3）所示。

2O₂+2H₂+→2H₂O（3）

燃料电池实际工作时，一节单体电池产生的电压通常低于1V，通常约在0.7V，在实际应用时，为了能够为负载提供足够的电压，通常是数十节甚至是数百节单体电池堆叠成一个电池堆使用。例如给电动汽车提供电能的氢燃料电池堆，就需要数百节单体电池堆叠为其供电，也需要温度传感器、气体压力传感器和气体相对湿度传感器等检测燃料电池工作时的参数，同时辅助其他控制措施管理燃料电池运行状况，确保燃料电池工作在最佳状态。由于氢气储存在高压氢气瓶中，所以先需要通过减压阀将气压降低，之后通过稳压阀将气体压力稳定在气体最佳工作值（如0.2MPa），当燃料电池堆长期工作时，气体压力难以长久保持在最佳值，所以采用气体压力传感器时刻检测压力变化。接着将气体通入恒温浴槽，起到给气体加热的目的，防止气体温度过低，导致燃料电池性能下降。然后增湿系统给气体加湿，使气体湿度达到系统最佳工作值（如80%），采用湿度传感器检测湿度变化。空气压缩机将过滤后的空气以一定的压力和湿度通入电池堆。最后两种气体在催化剂的作用下将化学能转变为电能，燃料电池工作时，通过温度传感器检测电池堆表面的温度变化，当检测到温度过高或过低时，启动风扇加热或降温。反应产生的多余的气体和热量通过电磁阀按照一定的时间间隔排气排热。

2 燃料电池内部检测与控制工作系统的相关硬件选型与设计

2.1 系统内部的上位机和下位机确定

树莓派系统平台是最早通过英国的一家慈善组织研究开发的基于ARM系统的体积仅有信用卡体积左右的先进微型电脑控制主板，本身具有工作功耗低、功能性能强等明显优点。所以，采取树莓派平台作为系统内部的上位机部分。树莓派平台仅能够提供I/O接口和其他串口，至于相关的数据采集功能还需其他辅助工作模块的具体协助。因为Arduino系统内部自带ADC工作模块，且能够存在特别丰富内部调用系统库资源，操作过程简单，因此，采用Arduino作为内部系统下位机部分。

2.2 单片电池电压部分的内部巡检模块设计

燃料电池系统通常通过多片单体电池进行串联而成，且这些单片电池自身的电压直接决定整体电堆内部性能好坏，因此开展燃料电池内部单片电压进行巡检模块的设计工作很关键。目前，常用的单片电池巡检方法主要涵盖机械继电器部分检测法、系统电压分压法、系统差分放大器部分隔离法等方式。由于机械继电器部分检测法自身转换时间特别长，不适合开展实时检测工作，而系统电压分压法自身的测量精度很差，因此选取完善改进后的系统差分放大器部分隔离检测法，这种检测方式转换时间能实现微秒级的水平，达到系统开关次数无限同时自身测量精度特别高，但制造成本很高。

3 燃料电池内部检测与控制工作系统的相关软件设计

3.1 燃料电池内部检测与控制工作系统软件基本组成

软件设计内部一共能够分为3个具体的模块，这3个模块分别是系统数据采集模块、系统数据传输模块、系统远程管理控制模块。其中，系统数据采集模块的主要作用是开展采集燃料电池自身系统存在的各种实时状态参数，并按照USB通信的方式发送到树莓派平台部分；系统数据传输模块的主要作用是通过利用采集模块发送过来的相关信息数据传输到具体的Azure云服务器里面的相关MySQL数据库中；系统远程管理控制模块的主要作用是负责进一步执行相关终端设备发出的系统管理控制命令。

3.2 系统数据采集模块

系统数据采集模块通过利用Arduino内部推荐的IDE部分开展开发工作，能够提供对应的编写程序的工作环境和相关的串口监视器部分，还能够进行编译工作和烧录程序工作。系统数据采集模块的程序内容都是根据C语言部分进行编写，最后将相关的程序内容烧录到Arduino里面进行运行工作。系统数据采集模块还能够具体细分为三个小模块部分，包括系统扩展采集数据板的管理控制、模拟量的对应转换和数据信息发送。当单片机部分完成初始化操作以后，开展相应的数据采集工作，然后将已经完成采集对应模拟量通过ADC方式进行转换为相应的数字量，最后把这些具体的数字量同步发送到对应的串口部分，在能够延迟1 s后即刻开展循环采集工作。

3.3 系统数据传输模块

系统数据传输模块的具体程序通过Python语言进行编写完成，同时在树莓派平台的Ｒaspbian系统里面进行工作运行。第一采取调用Python语言编写的相关MySQL数据库里对应的文件实现连接云数据库的目的，并开展USB通信工作，进一步获取系统数据采集模块部分发送过来的信息数据，最后实现循环监听工作开始等待信息数据、检测信息数据部分的准确性、进行信息数据整理工作、在本地位置进行信息数据的实时保存同时传输到云数据库里面。

3.4 系统远程管理控制模块

系统远程管理控制同样利用MySQL云数据库的具体内容开展系统控制命令信号的实时通信工作，但其自身的原理和远程监测工作顺序相反。系统远程管理控制通过GUI相关应用程序进行发送对应的控制信号，并通过树莓派平台实现登录云数据库的操作，从而实现获取相关控制指令，同时利用GPIO口进行指令执行工作。

4 结语

综上可知，燃料电池里面有许多性能参数需要进行具体的检测和管理控制，同时这些具体检测到的实际数据能够促进将来深入分析研究燃料电池自身性能特点和不断完善改进燃料电池内部系统。本文在燃料电池的工作原理下，分析了燃料电池内部检测与控制工作系统相关软件设计，这样的燃料电池内部检测与控制工作系统本身具有工作体积小、运行功耗低、制造成本低等明显优点。

参考文献：

[1]于志强，温志渝，谢瑛珂，周苏怡.基于树莓派的多参数水质检测仪控制系统[J].2017.

[2]卫东，郑东，褚磊民.燃料电池单电池电压检测系统设计[J].2016.

[3]陈奔．质子交换膜燃料电池水气管理研宄及其优化设计[D].2018.