控制燃料電池連續工作的原理及解決方案

1.燃料電池的工作原理
　　燃料電池（FC）是一種等溫進行、直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效（50-70%），環境友好地轉化為電能的發電裝置[1]。它的發電原理與化學電源一樣，電極提供電子轉移的場所，陽極催化燃料如氫的氧化過程，陰極催化氧化劑如氧等的還原過程；導電離子在將陰陽極分開的電解質內遷移，電子通過外電路作功并構成電的回路。但是FC的工作方式又與常規的化學電源不同，而更類似于汽油、柴油發電機。它的燃料和氧化劑不是儲存在電池內，而是儲存在電池外的儲罐中。當電池發電時，要連續不斷的向電池內送入燃料和氧化劑，排出反應產物，同時也要排除一定的廢熱，以維持電池工作溫度的恒定。FC本身只決定輸出功率的大小其儲存能量則由儲存在儲罐內的燃料與氧化劑的量決定。
　　
圖1為石棉膜型氫氧燃料電池單池（single cell）的結構和工作原理圖
　　氫氣在陽極與堿中的OH 在電催化劑的作用下，發生氧化反應生成水和電子：
　　H2 + 2 OH H2O + 2e- 0= -0.828V
　　電子通過外電路到達陰極，在陰極電催化劑的作用下，參與氧的還原反應：
　　O2 + H2O +2e- 2OH 0= 0.401V
　　生成的OH 通過飽浸堿液的多孔石棉膜遷移到氫電極。
　　

　　2．用BL系列板卡控制器控制燃料電池連續工作的方案
　　為保持電池連續工作，除需與電池消耗氫、氧氣等速地供應氫、氧氣外，還需連續、等速地從陽極（氫極）排出電池反應生成的水，以維持電解液堿濃度的恒定；排除電池反應的廢熱以維持電池工作溫度的恒定。
　　一個單池，工作電壓僅0.6～1.0伏，為滿足用戶的需要，需將多節單池組合起來，構成一個電池組（stack）。首先依據用戶對電池工作電壓的需求，確定電池組單池的節數，再依據用戶對電池組功率的要求，和對電池組效率及電池組重量與體積比功率的綜合考慮，確定電池的工作面積。
　　以燃料電池組為核心，構建燃料（如氫）供給的分系統，氧化劑（如氧）供應的分系統，水熱管理分系統和輸出直流電升壓、穩壓分系統。如果用戶需要交流電，還需加入直流交流逆變部分構成總的燃料電池系統。因此一臺燃料電池系統相當于一個小型自動運行的發電廠，它高效、環境友好地將貯存在燃料與氧化劑中的化學能轉化為電能。
　　闡明各分系統間關系的電池系統的方塊圖如圖3所示。
　　
圖3
　　BL系列板卡控制器最多有11路模擬量輸入，4路模擬量的輸出，24路的數字量的輸入，16路的數字量的輸出。可用模擬量的輸入輸出及數字量的輸入輸出來控制和電池組關聯的各系統。
　　3．如何用BL系列板卡控制器循環采集多個電池組的電壓
　　一個電池組（stack）是由多節單池（工作電壓僅0.6～1.0伏）組合起來，用一個BL系列的板卡控制器可輪巡采集幾十個電池組（最多可采集的電池組個數由BL系列板卡控制器的數字量的輸出的個數決定），用BL系列的板卡控制器的數字量輸出來選擇所要采集的電池組的各單池的電壓。由于各單池的電壓不是共地的，而BL系列的板卡控制器的11路的模擬量輸入是共地的，所以各單池通過信號調理板進行差動運放隔離后再接到BL系列的板卡控制器上，進行各單池的電壓的采集。信號調理板中的12V供電是分別給各單池的電壓的差動放大供電的。如下圖所示：