NI 的燃料電池測試方式

介紹

燃料電池已成為將來潔淨且高效率的電力來源。相較於傳統的電池類型，燃料電池壓倒性的具有多項優點。燃料電池的電力是由氫轉換而成，而該元素亦可從多種可再生資源中萃取。將氫轉換為電力時，並不會產生任何有害物質。而傳統電池必須使用非再生性燃料，亦產生污染物。透過上述 2 項特性，燃料電池即成為將來的重要電力來源，並廣泛適用於汽車、商業、住宅、可攜式裝置，與其他多種電力應用。

NI 目前提供多項電腦架構的量測產品，可協助科學家進行燃料電池的研究、設計、檢驗，與生產測試。NI 為電腦架構量測的領導者，並有多家燃料電池製造商使用 NI 的軟硬體工具，於所有的開發階段中測試燃料電池。這些測試工具均為生產過程中所必備，而燃料電池則包含質子交換膜 (PEM)、磷酸燃料電池 (PAFC)，與固態氧化燃料電池 (SOFC)。

Advanced Measurements Inc. 公司為位於加拿大卡爾加理 (Calgary) 的 NI 合作廠商，並已開發多款 PEM 與 SOFC 燃料電池測試系統，以 NI 電腦架構的量測與自動化產品，進行設計、檢驗，與生產測試。圖 1 與圖 2 均為 LabVIEW 的操作介面截圖，用以監控 Advanced Measurements Inc. 公司所開發的 SOFC 燃料電池測試系統，並取得即時資訊 (www.advmeas.com)。

圖 1. SOFC 燃料電池測試系統的操作介面

圖 2. SOFC 燃料電池測試系統的歷史趨勢顯示

何謂燃料電池？

不論何種燃料電池，其基本結構均是將氫的化學能源轉換為電力。目前有多種不同的燃料電池技術。除了上述的 PEM、PAFC，與 SOFC 之外，還有鹼性燃料電池 (AFC) 與熔融碳酸鹽 (MC) 燃料電池。由於 PEM 具有較低作業溫度與較高效能，因此較受到汽車應用所青睞。圖 3 則為 PEM 燃料電池的操作方式。

圖 3. 燃料電池的基本要素

由於單一電池僅能產生約 1 V，因此大多數應用均需要 1 個以上的電池。若串聯多組相同的燃料電池而形成堆疊 (Stack)，則可達到較高的電力輸出。某些燃料電池堆疊可包含數千組電池，以產生多項運輸、商業，與工業級電力應用所需的高電壓與電流。

燃料電池測試系統

在研發 (R&D) 應用中，燃料電池測試作業可進行能源輸出的參數描述 (Characterize) 與最佳化，並可延長電池堆疊的使用壽命。檢驗作業的主要目標，即是要能最佳化大量生產的設計作業，並在不影響效率的條件之下，降低電池堆疊的整體成本。製造應用則必須監控電池堆疊，以確保該堆疊可通過設計規格。工程師與科學家所研究、開發，或製造中的燃料電池，均需要多項量測、控制、分析，與呈現工具，以評估或檢驗該燃料電池技術。

燃料電池測試系統，往往需要數百項量測作業進行精確監控，包含電流、溫度、壓力，與氫質燃料的濕度，還有燃料電池堆疊的輸出電壓與電流。測試系統必須監控燃料電池的多種狀態，並精確擷取即時效能與操作特性的相關資訊。測試系統亦必須提供彈性的資料擷取、監控，控制功能，以精確控制燃料電池的操作與實驗過程。由 Advanced Measurements 公司所開發的固態氧化燃料電池 (SOFC) 測試系統，即為下方圖 4 所示。

圖 4. SOFC 燃料電池測試系統

工程師可持續將新的量測作業整合至高精確度測試系統，藉以縮短開發週期、提升品質，並降低下一代燃料電池的開發成本。

量測難題

在資料擷取系統進行原始資料的數位化之前，必須先為燃料測試系統準備多項需要訊號處理的量測作業。測試燃料電池堆疊的重點之一，即為隔離功能。獨立電池約可產生 1 V 電力。若以多組 PEM 構成電池堆疊，可產生約10 V 的較高電壓。高效能的堆疊將包含數百組電池，以針對數百伏特的共模拒斥 (Common-mode rejection) 進行電壓量測。基於上述原因，工程師不僅需要可讀取 1 ~ 10 V 的多個通道，亦必須維護電池堆疊之間達數百伏特的隔離功能。由於燃料電池測試系統可涵蓋 100 ~ 1,000 個以上的通道，因此資料擷取系統亦必須能夠隨之擴充。這些系統亦具有必須進行衰減與放大作業的訊號。模組化亦為目前測試系統的必要條件；使用者才能夠隨著生產與檢驗技術，進行系統的修改或變更。任何測試系統均應進行校準，以確保其可進行精確且有效的量測。

依循上述原則而言，單就電壓監控作業並無法有效進行燃料電池的控制與參數描述。監控電流輸出亦為必要作業。由於電流可達極高輸出，因此往往透過霍爾效應 (Hall Effect) 監控之，讓工程師透過接線即可監控電流流動。此方式則需要訊號處理與調整 (Scaling) 功能，藉以將資料轉換回電流讀數。PEM 燃料電池的另 1 個重要參數即為溫度。PEM 若要有效產生能源，則必須在 60 ~ 80 °C (140 ~ 175 °F) 的溫度範圍中進行作業。溫度監控是為了將如變動 (Variation) 與相關性 (Correlation) 的變數影響降至最低，以提升電路輸出效能。熱電偶與電阻溫度偵測器 (RTD)，可監控電池堆疊溫度與反應氣體 (Reactant gas) 流動的溫度。在多項應用中，由於壓力升高即可造成氣體流動，因此必須仔細監控並管理該現象。壓力傳感器與訊號處理功能可量測壓力；氫氣與氣體流動率，則是以質量流動計 (Mass flow meter) 依氣體流動率而等比產生的脈波進行量測。這些脈波均由計數器/計時器介面卡進行監控，並由軟體調整為流動率。電子調節器 (Regulator) 則透過 TestStand 所供應的電壓或電流輸出，控制相關壓力與流動。

NI 更提供多項解決方案，以更多功能進行燃料電池的測試。此測試平台的重點，即為簡單易用、模組化功能，與極富彈性；且均為 NI 產品的共通特性。

NI 燃料電池測試工具

SCXI 訊號處理

• SCXI 為常見的燃料電池測試介面。SCXI 具有多項訊號處理功能，可用於輸出與輸入。SCXI 並提供可立即進行量測的重要技術，如：
• 模組化 – SCXI 產品提供堅固耐用的 I/O 模組架構
• 隔離 – 當感測器置於不同的接地面 (Ground plane) 時，則必須阻絕暫態訊號以保護系統。
• SCXI-1125 – 最高 160 dB 共模拒斥 (每通道 300 Vrms 作業隔離)
• 可程式化功能 – 使用 NI-DAQ 軟體逐一設定通道
• Measurement and Automation Explorer – 虛擬通道
• 校準 – 內建軟體校準與傳統的外部 NIST 可追蹤校準認證
• LabVIEW 軟體常式可進行校準
• 連結功能 – 使用熱電偶夾與模組特定接線盒以連接訊號
• TBX-1316 – ±1000 VDC (Cat.III) 輸入範圍 (200：1 衰減)

SCXI 架構的測試平台

FieldPoint 分散式資料擷取

NI FieldPoint 分散式 I/O 產品亦常用於燃料電池測試。FieldPoint 功能可提升分散式系統的可靠性與可維護性。由於區域智慧 (Local intelligence) 可內建診斷功能並延長系統的運作時間，因此為燃料電池測試平台所需的重要功能。更進一步來說，包含嵌入式處理與控制功能的分散式系統，可協助建置嵌入式的分散控制系統。

• 模組化 – 創新架構可進行通訊、I/O 功能，與訊號終端的模組化作業
• 隔離 – 當感測器置於不同的接地面 (Ground plane) 時，則必須阻絕暫態訊號以保護系統。
• FP-AI110 - 250 Vrms 的作業電壓與通道對通道隔離
• 連結功能 -- 螺絲固定端點可輕鬆連接訊號

FieldPoint 架構的測試平台

NI 軟體

 
LabVIEW 資料記錄與監控 (Datalogging and Supervisory Control) 模組，內建高通道數資料擷取、資料記錄、介面，與安全功能，適用於燃料電池的多項測試需求。燃料電池測試系統可能需要數百組資料擷取感測器與控制功能，以用於溫度、濕度、大氣壓力、含氧量，與其他參數。一般測試所進行的測試參數正不斷增加，如必須達到某固定溫度、開始保持恆溫，並接著描繪燃料電池所產生的電壓與電流。LabVIEW 資料記錄與監控 (Datalogging and Supervisory Control) 模組並包含擴充的歷史資料庫，可儲存所有的量測與測試資料，並透過 NI DIAdem 資料管理軟體進行檢視與彙整。透過 DIAdem，使用者可載入測試資料，並執行離線分析與報表產生。

在燃料電池的檢驗、使用週期，與生產測試系統中，可靠性與安全性均為重要的系統規格。在關鍵應用中，製造商正使用如 LabVIEW Real-Time 的即時解決方案，以建立可靠的系統。製造商正體驗前所未有的系統穩定度 (每年均低於 1 秒的停機時間)。簡單易用的 LabVIEW 不僅具有彈性、可再使用的程式碼，並可調整桌上型量測到即時控制作業，因此亦為燃料電池應用的理想軟體開發環境。此外，當製造商準備量產燃料電池時，亦可將 LabVIEW 與 NI 產品調整進行製造測試。燃料電池製造商可完整利用 LabVIEW 的穩定性與可調整性。.

所有 NI 軟體均可輕鬆整合上述的任何硬體產品。於 PXI (CompactPCI) 電腦中執行的測試軟體，亦可輕鬆套用於上述的任何系統中。若需 PXI 的相關資訊，請至 ni.com/pxi/zht/

摘要

所有 NI 電腦架構的量測系統，均具有彈性、可調整，與簡單易用的特性。這些包含 NI 軟硬體的系統，可用於研發部門的設計與檢驗測試，乃至於所有的生產階段。

雖然研發、製造，與操作的目標不盡相同，卻均需用於燃料電池的監控作業。針對研發而言，測試作業可描述參數、最佳化電力輸出，並延長電池堆疊的使用壽命。檢驗作業的主要目標，即是要能最佳化大量生產的設計作業，並在不影響效率的條件之下，降低電池堆疊的整體成本。製造應用則必須監控電池堆疊，以確保該堆疊可通過設計規格。在實際應用上，監控功能必須負責堆疊的使用壽命與作業情況。還好，不同用途的燃料電池均具有相同的需要：設計完備的測試系統。

簡單易用的彈性軟體可擴充測試平台，並將其他量測作業輕鬆新增至平台。若能以單一的標準測試平台完成研發與生產程序，則可同時省下時間與成本。以電腦技術為基礎的測試平台，並包含 PXI/Compact PCI 平台的開放式架構，將可整合主流電腦技術與模組化的可靠性，提供絕佳的測試功能。在政府、消費者，與環境保護的壓力之下，每年均有大量成本投資於燃料電池的開發，且逐年遞增。燃料電池正迅速發展，而虛擬儀控架構的控制器將配合不斷變化的測試作業。

1 評分 | 5.00 之 5

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