谭明波 周文平
武汉中极氢能产业创新中心有限公司检测分公司，武汉中极氢能产业创新中心有限公司 湖北 武汉 430078
摘要：燃料电池是将燃料中的化学能直接转换为电能的装置，其可提供更清洁、高效和可持续化的能源，是2l世纪最具有发展和应用前景的能源技术之一。在装配之前，检测燃料电池组件的尺寸是否合乎设计要求对其性能的影响具有重要意义。采用百分表来测量电池组件的变形时，每次试验需要的单电池、连接板和波纹板等电池组件数量大，测量的工作量大，人工记录测试数据也很不方便。针对上述情况，本文设计一套适用于燃料电池组件的自动检测系统，在上位机上实现了数据的实时显示、处理、存储和回放。
关键词：燃料电池电堆；精密装配；检测系统设计
导言：
经济不断发展的今天，伴随的是对能源需求的不断增加和日益恶化的自然环境，减少化石燃料的使用。从不可再生能源向可持续发展能源的转变迫在眉睫。因此，本文设计的系统采用百分表作为测头，控制器控制x,y方向的移动，自动完成燃料电池组件变形量的检测，并有上位机监控软件以图形化的形式实现数据的监控、存储和回放。系统具有检测精度高、速度快和操作方便的特点，极大地减轻了操作人员的劳动强度，具有很好的实用性。
1 固体氧化物燃料电池（SOFC）简介
1.1 工作原理
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效和环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。以氢气燃料为例，当电池组工作时，空气进入电池阴极一侧，获得电子变为负离子，通过固体氧离子导体，扩散至电解质与阳极表面；具有催化功能的阳极表面吸附通入阳极的燃气，通过阳极多孔结构扩散至阳极与电解质界面，在高温条件下与氧离子发生反应，失去的电子通过外电路到阴极，形成电流。
1.2 SOFC基本特征及应用
与传统的燃料电池相比，固体氧化物燃料电池具有高效、洁净、全固态结构和高温运行的特点，它是把反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置，不受卡诺循环的限制，具有很高的化电转换效率，噪声低，对燃料要求低，但其对工作温度的要求较为苛刻。这种新型发电技术是目前发展最快的新能源技术之一，有望在不久的将来走向商业化应用。SOFC单体电池由致密的电解质和多孔的阳极、阴极组成，现在主要发展了管状结构和平板式结构两种形式。单体电池通过致密的连接体材料以各种方式组装成电池组，广泛应用于大型发电厂、热电耦合设备、小型供能系统和交通工具上等，故而其市场前景十分广阔。
2 燃料电池电堆的精密装配检测系统的方案设计
检测系统主要由信号调理模块和上位机监测软件两部分组成.用专用央具固定住燃料电池组件，在主控制器的控制下实现上下来回的检测路径；主控制器将检测到的数据通过串口发送到上位机上，并在上位机上以图形化的形式自动实现数据的实时显示，存储和回放。
3 信号调理模块设计
3.1 数显百分表数据接口简述
系统采用的是成都量具厂的数显百分表作为测量工具，其量程为（0~10）mm，分辨率为0.01 mm。百分表的数据接口从左到右依次为:1:1.5V,2:CK,3:DATA,4:GND。信号输出的时序图，如图1所示。每隔250ms输出一次数据，每次持续0.75ms。WORDO是在一个节距内的绝对值值，通常不同。
图1信号的时序图
WORD1是显示值的二进制码，最高有效位（MSB=bit23）给定标志数值。如果等于1，则0-23位连同符号一起补码输出，若等于0，则0-23位以数值的原码输出。
3.2 信号调理电路
百分表数输出的电压信号只有1.5V，单片机无法识别其高低电平。系统采用了NLSX3012电平转换芯片，将1.5V转换为5V电平。由于百分表设计工艺上的原因，在数据日上不能引出电流，无法驱动电平转换芯片。所以，采用了双运放芯片SGM358作电压跟随器来驱动电平转换芯片，具体的电路图（图略）。电路中采用了PL2303HX芯片将单片机的串口转换为USB接口，既实现了与电脑的通信，又方便了单片机程序的烧写。
3.3 单片机处理软件
单片机采用PCA模式下的上跳沿捕捉功能，在时钟的上跳沿时读取数据线上的状态。系统需要采集的数据是表头发出的WORD1，怎样找到WORD1的ISB是单片机软件的核心。找LSB的方法主要由两种:
3.3.1采集到一次中断，延时时间t（0.75ms〈t〈250ms），下次中断一定是WORDO的LSB，再找WORD1的LSB就很简单了。原因是百分表发一次数据维持的时间是0.75ms，间隔250ms再输出一次数据。所以，延时时间t以后一定会落入250ms的低电平区。
3.3.2判断两次中断的间隔时间，如果为90μs则是说明上一次中断对应的数据位为WORDO的LSB。从百分表传输数据的时序图就可以很轻易的得出这个结论。考虑到如果在250ms的低电平区如果有杂波的话，会影响到系统的可靠性，系统采用了方法二来确定WORD1的LSB。
4 上位机软件设计
LabVIEW是国外某公司开发的图形化编程语言的开发平台，在测试狈弓量、自动控制、仿真和教育领域应用广泛。系统的上位机软件设计是以Labview20l 1为开发工具，系统软件可以分解为若干个功能模块，主要实现五个方面的功能:与下位机的通讯、数据的处理、数据的实时显示、数据的存储和回放。
检测系统的上位机（图略）。首先，选择对应的串口号，并设置好串口通信的波特率、数据位和停止位。然后，开始运行程序，数显百分表的面板上就会显示出采集到的数据。同时操作界面右边显示着数据随时间变化的曲线图。当操作者需要将采集到的数据保存起来时，先设置好保存路径和文件名，然后点击保存按钮，数据就会以文本文件的形式保存到指定路径下。回放保存数据时，先选择保存文件的路径，再点击查看按钮，切换界面右边的选项卡就可以通过文本和曲线的形式回放数据。
受单片机能力和数据时序要求的限制，数据处理由上位机完成。上位机与下位机的通讯采用主从式，即下位机主动发送数据，上位机被动接收。怎样确定上位机接收到的哪位数据是有效起始位是通信协议的一个重要方面。在与下位机通讯时，规定单片机先发送字符串“AA”，然后再发送采集到的24位数据。上位机通过字符串“AA”，来判断数据的起始位。24位二进制代码所代表的数值与显示值并不相等，但它们之间有着一一对应的线性关系。通过大量实验观察，得出它们之间的倍数为16126。在实际的程序设计中，首先通过搜索一维数组找到字符串“AA”对应的索引号，然后将其后面的24位二进制代码转换为带符号的十进制数.将这个十进制数除以16126以后就得到了百分表的显示值。在程序设计的过程中，一定要注意数据类型之间的转换。
5 结语
综上，在装配平板式固体氧化物燃料电池（SOFC）电堆时，其组件的变形会影响到电堆的装配质量，降低电池的效率和使用性能。因此，为保证装配质量，在装配之前需要对组件进行变形量的检验。以数显百分表为测头，并采用基于LabVIEW的上位机软件为数据处理平台，通过信号调理电路作为中间媒介，设计了一套燃料电池组件的变形检测系统，方便的实现了组件测量数据的显示、存储和回放，为电堆的精密装配奠定基础。
参考文献：
[1]李箭，肖建中，蒲健.固体氧化物燃料电池一高效清洁的能源[J].2017.
[2]江义，阎景旺，王世忠等.平板式氧化物燃料电池（SOFC）研制及性能考察[J].2016.
[3]周玉存,李军良,聂怀文等.金属支撑固体氧化物燃料电池研究进展[J].2018.