基于NI-cRIO的燃料电池监控系统开发

随着人类工业化进程的不断加深,石油资源亦濒临枯竭,因此,以化石能源作为主要能源的生产方式注定要被淘汰。经过不断探索与研究,以氢气为能量载体的质子交换膜燃料电池产业是能源领域中具有战略性、前瞻性的一项绿色储能技术,并且代表着未来新能源的发展方向,具有不可估量的发展前景。燃料电池具有清洁、高效、安全等特点,其发电原理是通过氧气和氢气发生的化学反应,直接将氢气中储存的化学能转变成电能,而不是通过燃烧反应。燃料电池系统在发电过程中,控制氢气、氧气或空气、水等物料达到一定的温度、压力和流量输入系统,并控制其输出的电能进行二次处理。在发电过程中,气体或液体的压力及温度、系统执行逻辑、单电池均衡性等因素都将对电能质量、发电效率产生显著影响。因此,对电化学反应条件及输出产物等物理量的控制,在燃料电池的研发、测试及应用阶段就显得尤为重要,关于燃料电池运行的所有研究方法和策略的实现均需要通过控制系统实现。本文在前期查阅相关文献资料,在概述和分析研究质子交换膜燃料电池的工作原理和系统发电原理、结构、功能与控制逻辑的基础上,对监控质子交换膜燃料电池的测试运行进行研究与实践。针对质子交换膜燃料电池运行过程中对控制系统的监控需求及功能要求,使用NI-cRIO作为控制中心的模块化硬件,对燃料电池系统的各个模块化系统的数据采集、通讯、控制逻辑、布局布线以及上位机界面进行设计和开发。使用STM32单片机构建分布式子系统控制单元控制器及控制逻辑,根据功能需求设计控制器的原理图,布局PCB板,并制定了中心与分布式子系统通讯协议。对各模块化系统分别进行仿真或调试,验证通过后对整个系统包括软件、硬件进行综合调试。经过不断的调试和改进,本文研究开发的系统可实现所测试的燃料电池电堆自动工况编辑并稳定运行,同时监控多台燃料电池电堆的测试,数据100ms的刷新周期,高精度的数据采集及存储,动作逻辑的快速响应,人机友好的监控界面等功能。同时具有较为灵活的模块化设计,可根据工作需要进行随时调整。可满足实验室对质子交换膜燃料电池电堆的测试需求,对燃料电池的运行逻辑优化起到一定的促进作用。