当今时代，环境保护已成为人类社会可持续发展战略的核心，既有较高能源利用效率又不污染环境的新能源是能源发展的方向。氢是一种理想的能量载体，是完全符合人们期待的新能源之一。氢能利用的一个重要方面就是燃料电池，它将氢和空气中的氧反应转换为电能，其最大特点是反应产物为纯净水，而且噪声也很小，对环境没有污染。因此燃料电池及其电源系统的研究对减少环境污染和减小温室效应具有重要的意义[1，2]。

　　在标准条件下(25 ℃)，质子交换膜燃料电池(PEMFC)的理论电动势为1.229 V，但由于存在活化极化、欧姆极化和浓差极化等电压损失，电池工作过程中的实际输出电压远远低于按热力学方法计算出来的理论电动势。PEMFC单片电池的开路电压一般为0.9 V～1.0 V，额定工作电压在0.6 V左右。为了满足负载的电压要求，传统双极电堆常采用串联方式将许多单片电池连接在一起，一片电池的阴极与下一片电池的阳极相连[3]。显然，单片电池的性能影响着整个电池堆的性能。在不同测试及工作状况下实时检测电堆单片电池电压，便于研究人员研究分析电堆的工况和性能、改进电堆结构，以确保电堆中各单片电池工作性能的一致性；便于控制系统及时做出正确决策，维持电堆安全、可靠、稳定运行。燃料电池堆单片电压检测系统不仅在电堆设计、研发阶段非常重要，在维护电堆正常运行中也是不可缺少的。基于此，针对自行研制的200 W常温常压空冷氢空PEM燃料电池堆，设计开发了20片燃料电池堆单片电压检测系统，可以实时检测、显示单片电压数据。单片电压通过RS232串行通信口上传给上位PC机显示、保存、分析、处理，便于科研人员进一步分析研究燃料电池堆的工况和性能。

　　1 系统组成

    自行研制的200 W常温常压空冷氢空PEM燃料电池堆由20片单片电池串联组成，采用一体化散热和配气装置，使得散热、供氧更均匀。根据电堆具体结构形式和尺寸，设计专用单片电压检测系统，系统框图如图1所示。系统主要由下位单片电压检测系统和上位机监控系统组成。检测系统包括信号取样、信号调理、A/D转换、CPU控制等单元，完成单片电压实时精确检测、显示和报警。上位机监控系统通过RS232串口通信与上位PC机连接，完成数据显示、保存、分析处理等。

　　2 检测系统设计

    该电堆为空冷电堆，每个单片电池都带有自身的散热流道，相邻两单片电池之间有一定间距。根据电堆结构尺寸，按照单片电池之间精确尺寸设计专用检测板，电堆中各单片电压信号通过探针与信号调理单元连接，可靠取样单片电压信号。如图1所示，选择第0片即燃料电池堆输出负极为信号调理单元的共地端，其主要原因是燃料电池堆第1片与其输出负极之间有一定的电位，测试时影响第1片电池电压测试精度，另外也是为了保证整个控制系统地信号的一致性。

　燃料电池堆中各单片电压信号为差模小信号，并含有较大的共模部分，要求信号调理单元应具有较强的抑制共模信号的能力。该检测系统采用差分电压测量方法，仅放大差模信号，抑制共模信号。各个串联单片电池电压信号经信号调理单元后得到差分电压，即单片电池电压放大信号，输出的各路差分电压信号共地。信号调理单元采用通用放大器，由6片MC3403实现20片单片电压信号检测，具体电路见图2。为了提高系统检测精度，弥补通用放大器不足，该系统采用软件分段线性拟合方法以减小误差，修正采样电压到真实电压。经过软件修正，系统精度达到5 mV以内。

[1] [2]  下一页