燃料电池电堆的精密装配检测系统设计

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经济飞速发展的今天，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。燃料电池是将燃料中的化学能直接转换为电能的装置，它可以提供更清洁、高效和可持续化的能源，是21世纪最具有发展和应用前景的能源技术之-。平板式固体氧化物燃料电池的优点是单电池具有高的功率密度和较低的制作成本；其主要难点之-是高温时密封困难[1-21。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，设计-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。

2固体氧化物燃料电池的装配简介平板式固体氧化物燃料电池的装配图，如图1所示。它是通过螺栓将多片单电池、连接体和密封材料固定在-起，将电堆置于高温炉中，分别向单电池的阳极和阴极中通入燃料气体和空气，氧离子通过固体电解质与氢气发生氧化还原反应产生电能和热13～。在电堆的装配过程中，因为组件变形的影响导致接触不够充分，在组件之间会产生较大的接触电阻，同时电堆的密封性也会变差，严重影响电池的效率和性能。如果为了保证装配质量，强行加大装配压力 ，则可能导致波纹板气道的塌陷，损坏燃料电池电堆I4。为了严格控制组件的变形，在每次装配之前都需用百分表对所有组件的变形量进行检测。在实际的操作过程中，由于测试的工作量非常大，操作和记录数据都不方便。如果平板式固体氧化物燃料电池-旦实现量产，组件的变形检测因为费时费力也会成为影响成本的重要因素之--发-套针对平板式固体氧化物燃料电池组件的变形检测系统显得十分必要。

图 1平板式固体氧化物燃料电池装配图Fig.1 Plate Solid Oxide Fuel Cell Assembly Drawing3系统方案设计检测系统主要由信号调理拈和上位机监测软件两部分组来稿 日期：2012-03-10基金项目：国家主题 863项目资助(2011071034)；中国博士后基金资助(2011M501206)；湖北省自然科学基金资助(2011075057)作者简介：杨杰(1968-)，男(汉)，湖北武汉人，博士，硕士生导师，副教授，研究方向：燃料电池系统，先进制造技术第 l期 杨 杰等：燃料电池电堆的精密装配检测系统设计 41成，系统结构，如图2所示。用专用夹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。

X轴移动机构I- 燃 上料 专用夹具 I- 主 由 位电 控- 口 机池 制 通 - 监组 ÷ 表头检测系统 - 器 信 控件 软Y轴移动机构 - 件图2系统的总体方案Fig.2 The General Scheme of the System4信号调理拈设计4.1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～lO)mm，分辨率为0.01mm。百分表的数据接口从左到右依次为：1：1.5V，2：CK，3：DATA，4：GNDt3。信号输出的时序图，如图3所示。每隔250ms输出-次数据，每次持续 0.75ms。WORD0是在-个节距内的绝对值值，通常不同。

DATA 击 。 LSB MSB由 ：- s ：LSB MSB图3信号的时序图Fig.3 The Signal Timing DiagramWORD1是显示值的二进制码，最高有效位(MSBbit23)给定标志数值。如果等于 1，则 0-23位连同符号-起补码输出，如果等于O，则0-23位以数值的原码输出。

4.2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，在数据口上不能引出电流，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。

4.3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LSB是单片机软件的核心。找 LSB的方法主要由两种：(1)采集到-次中断，延时时间 t(0.75ms

(2)判断两次中断的间隔时间，如果为 90lxs则是说明上-次中断对应的数据位为 WORD0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〖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，单片机的软件流程图，如图4所示。

图4单片机程序流程图Fig.4 Software Flowchart of the Mcu5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，在测试测量、自动控制、仿真和教育领域应用广泛。系统的上位机软件 寸-是以Labview201 1为开发工具，系统软件可以分解为若干个功能拈，主要实现五个方面的功能：与下位机的通讯[6-71、数据的处理、数据的实时显示、数据的存储和回放。

检测系统的上位机人机交互界面(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-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--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-维数组找到字符串A 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，42 机械设计与制造No.1Jan.201 3具体的程序框图(图略)。在程序设计的过程中，-定要注意数据类型之间的转换。

6结束语系统采用百分表作为测头，控制器控制 ，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，极大的减轻了操作人员的劳动强度，具有很好的实用性。