燃料电池发电效率高，环境污染小，燃料易获取。燃料电池内存在由多个单体电池构成的电堆，在电堆电极表面，燃料和氧发生电化学反应，天生二氧化碳、水，对外输出电流[1-2]。每个单体电池的事情特色参数基本是附近的，可以表征燃料电池的基本性能[3]。以甲醇为燃料的电池是一种新型的清洁能源，其构造更加大略，可小功率持续输出电能[4]，能够知足微型电子产品、航天设备和汽车平分歧产品和领域对能源的需求。
近年来对甲醇燃料电池的干系研究比较多，紧张针对甲醇电池的电催化剂、电解质膜、电极的形态以及甲醇燃料电池在详细领域的管理等问题。邓光荣等[5]提出了直接甲醇燃料电池甲醇传质过程剖析及浓度掌握方法，该方法建立了电池内甲醇物料守恒方程，通过该方程确定甲醇燃料电池电量和温度参数值，并测试温度-浓度的关系，以此来验证该方法的有效性。结果表明该方法实现了甲醇浓度掌握的目标，在电源系统设计与利用中发挥着重要浸染。刘洋洋等[6]对甲醇燃料电池阳极催化剂进行了研究，剖析DMFC阳极的反应机理，并对二元贵金属催化剂进行了阐述，指出甲醇燃料电池在化学工业和汽车等行业的运用前景。夏一帆等[7]研究了磺化聚醚砜/二硫化钼复合膜在甲醇燃料电池中的运用，将片状的二硫化钼与SPES进行稠浊制备复合膜，并利用红外光谱测试表征复合膜的构造。结果表明通过该过程，能够提高复合膜的阻醇性能。
以上述研究为根本，为了剖析甲醇燃料电池事情特性，提高电池效率，本文通过丈量电池的特色参数，实现对甲醇燃料电池运行状态的监测。由于甲醇燃料电池发电过程中其温度、电压、电流、燃料输入压力及流量等参数会有变革，个别参数变革会对电性能有所影响。为使甲醇燃料电池的输出功率事情在最佳点，需实时调控各个参数，尤其是燃料(甲醇)浓度，因而就须要对这个参数进行丈量。特色参数紧张包括电池的电压、温度以及甲醇浓度，本文丈量方法包括直接丈量与间接丈量两部分，直接丈量指用丈量工具可直接获取被丈量量值的作业；间接丈量是指按照逻辑或打算原则经由转化后得到丈量值的作业(即通过公式转化得到丈量值)。
参数丈量
1.1 丈量装置
1.1.1 丈量事理
采取一个丈量装置来丈量甲醇燃料电池的电压和温度等参数。丈量装置取样电路采取了隔离设计，该电路由取样模块、小旗子暗记运算放大器、隔离放大单元、微掌握器等部分共同构成。最多可同时丈量15个单体电池参数。丈量电路构造示意图见图1。
1.1.2 电压丈量
用ATMEL公司ATMEGA8L作为装置微掌握器，它是丈量装置的核心。该集成芯片本钱低，抗滋扰性能强，有较宽事情温度范围，电磁兼容性好。该芯片还集成了AD转换通道、PWM输出、看门狗电路。ATMEGA8L微掌握器在无外接芯片或赞助电路的条件下就能实现高精度电压丈量目的，其性能优于其他同类型8位芯片。
ATMEGA8L微掌握器和隔离放大电路、隔离取样单元、调试接口等共同协作，完成甲醇燃料电池电压丈量事情，实时性强、精度高。
丈量装置取样模块包括小旗子暗记运算放大器及仿照旗子暗记多路开关，能对电堆单体电压、温度等旗子暗记进行快速巡检，实现对电压和温度精准监控与丈量[8]。一旦电池组中某个数据涌现非常，能及时报警，这是保障电池正常运行的必要技能手段。
仿照旗子暗记多路开关的地址与甲醇燃料电堆单体逐一对应[9]。单体电池电压旗子暗记采样线与仿照多路开关端子连接[10]。从每个连接端点得到的比较电位作为输入旗子暗记，经小旗子暗记运算放大器放大后再进行减法打算，就得到单体电池电压，再经放大器输出端输出[11]。
电压仿照旗子暗记采样时为避免因电压过高而超过有效取样范围[12]，取样电路前端采纳了隔离技能方法，以担保放大器正常事情。微掌握器内10位精度的AD转换器是一种丈量精度高、实时性强的丈量器件。
1.1.3 温度丈量
甲醇燃料电池运行温度是表征电池运行状态的主要参数[13]，丈量装置采取DA18B20数字温度传感器进行温度丈量，采集的温度数据是仿照旗子暗记，在数据输入线前端加上拉电阻，以提升温度传感器数据线抗滋扰能力。图2是DA18B20数字温度传感器构造示意图。
微掌握器电源VDD和DA18B20数字温度传感器的电源相连，PB0端口和温度传感器的数据端口连接，GND引脚接地。该丈量装置温度丈量旗子暗记通道容量为4个。每个通道可采集四个电堆单体温度传感器旗子暗记，通道分别命名为G1、G2、G3、G4。可实现4乘以4共计16个温度旗子暗记的巡检丈量
传输采样数据的数据线，为温度传感器向微掌握器发送温度采集数据的中介。当温度数据非常时[14]，丈量装置自动报警。值班事情职员可据此采纳事情温度非常处置方法，打消故障。
1.2 甲醇浓度丈量
甲醇浓度须要间接丈量，由于甲醇燃料在到达电池电堆电极表面时，无法安装直接丈量浓度的传感器，以是须要通过直接丈量到的电压、电流、温度值来间接丈量。
1.2.1 判断甲醇浓度最小值
甲醇燃料电池事情时，假设流向电极表面甲醇浓度为定值，可视为常量，同一时候下浓度与电池温度、电压、电流建立的关系见式(1)：
式中：q为温度；I为电流；V为电压；uk是不同温度下的极化曲线。
在甲醇浓度为定值的情形下，温度值改变，电池极化曲线即为以曲线簇组成的某一曲线面S(ck)，通过多项式p=0描述曲线面时，构建的曲线面多项式向量空间维数公式见式(2)：
式中：q为甲醇某时候浓度；p为多项式最高次幂。
丈量甲醇燃料电池某一时候的浓度，只能得到浓度最小值，若要获取精确丈量值，需依据Lagrange差值公式完成准确甲醇浓度的求解。
1.2.2 确定甲醇燃料浓度值
甲醇燃料电池电化学反应为非线性，浓度域与电池极化曲线构成的曲面S形状干系。通过设置多个极限曲面，可提升甲醇燃料浓度丈量精度，见式(3)：
式中：j是曲面数量，此时存储向量基数量为2；q0为甲醇浓度维数。
甲醇燃料电池事情在某一时候电极表面甲醇浓度打算见式(4)，此为某一未知浓度下，当电池电压、电流、温度等数据输出为{qx, Ix, Vx,}，依据Lagrange差值公式，给出cx：
式中：ck为温度值改变情形下形成的极化曲线簇的甲醇浓度；Ik、Ij分别为某一时候，直接丈量得到的正负极燃料浓度值；cx为要间接丈量的甲醇浓度。
基于以上方法得到多个浓度打算值。统计浓度打算值偏差得到一个利用权向量{kaêa=1,2,…,k}，采取权向量衡量甲醇浓度估计值的信赖度，权值打算方法如下：
式中：n为各曲线实验点数；ek为曲线的方差。
采取式(6)打算得到甲醇燃料电池的真实浓度值：
结果与剖析
2.1 丈量偏差剖析
为验证本文方法丈量甲醇燃料电池事情电压、温度和甲醇浓度特色参数的精准度设计了验证实验。实验中，利用了丈量装置、专用精密仪器和包含15个单元电池的甲醇燃料电堆。专用精密仪器及数据采样办法如表1所示，甲醇燃料电池的详细参数如表2所示。
燃料电池事情事理示见地图3，间接丈量法事情事理见图4。丈量装置采样周期为85ms，电压和温度丈量数据见表3。实测值是精密仪器丈量值，丈量值为本文方法丈量值。
表3中的数据显示，与实测值比较，本文方法丈量的单体甲醇燃料电池的电压值偏差在1～4 mV之间，且偏差为1、2 mV的情形居多，仅有15号单体电池的电压丈量偏差达到4 mV。与实测值比较，本文方法丈量的甲醇燃料电池发电时温度偏差在0.1～0.5 ℃之间，大部分丈量偏差集中在0.1～0.2 ℃之间。
2.2 甲醇浓度丈量偏差剖析
为验证所设计方法的准确性，设定甲醇浓度域为1.2～1.4mol/L，通过式(6)得出甲醇浓度丈量值如图4所示。本文方法丈量甲醇燃料电池发电时甲醇浓度的偏差如图5所示。个中，实测值采取上文中提到的专用精密仪器进行丈量，为了保障该值的准确性，在仪器丈量的根本上，结合激光拉曼方法对甲醇样品进行拉曼光谱研究，综合仪器丈量结果和激光拉曼光谱丈量结果得出真实值。
剖析图5能够看出，本文方法丈量到的甲醇浓度(间接丈量值)与真实值相差较小，丈量值在1.18～1.38mol/L之间；真实值在1.19～1.38 mol/L之间。
两种数值重合度较高，证明本文方法丈量甲醇燃料电池发电特色参数的精确度较高，可用于甲醇燃料电池浓度掌握领域。实验中甲醇浓度丈量偏差与温度间的关系曲线见图6。
由图6能够看出：温度越高，甲醇浓度丈量偏差越小。解释在相对高温条件下事情的电池，利用本文丈量装置测得的甲醇浓度与真实值之间偏差更小。高温条件下电池随意马虎达成较为空想的传质条件，形成有利于电化学反应进行的条件。此时，丈量过程滋扰成分影响水平大大降落，丈量偏差相对较小。
结 论
丈量装置将直接丈量与间接丈量结合，进行了甲醇燃料电池发电特色参数丈量，通过对电池电压、温度、电流直接丈量，再将电压、温度、电流数据作为输入，可打算(间接丈量)某一时候燃料电池电堆中单体电池电极表面的甲醇浓度，测试精度高。
本文丈量方法具有构造大略、操作方便的优点，可实时监测甲醇燃料电池特色参数变革情形。
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作者：胡浩，魏书荣，朱宏涛，宋昆，尚国政单位：国网内蒙古东部电力有限公司电力调度掌握中央
上海电力大学电气工程学院
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