直接甲醇燃料电池测试用温度控制系统

第 18 卷 第 4 期 2010 年 4月 光学 精密工程 Opt ics and Precision Eng ineer ing Vol. 18 No. 4 Apr . 2010 收稿日期: 2009-04-24; 修订日期: 2009-06-11. 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( No . 50575036; No. 50805013) 文章编号 1004-924X ( 2010) 04-0943-09 直接甲醇燃料电池测试用温度控制系统 李苗苗1 ,刘 冲1, 2 ,梁军生1 ,孔令华1 ,张文涛1 ( 1. 大连理工大学 微纳米技术及系统辽宁省重点实验室,辽宁 大连 116023; 2. 大连理工大学 精密与特种加工技术教育部重点实验室, 辽宁 大连 116023) 摘要:为了精确控制燃料电池阳极燃料的温度,搭建了直接甲醇燃料电池( DMFC)测试用温度控制系统。针对温度控制 对象为定速流动的特点, 设计了用于加热流动液体的特殊结构, 即将不锈钢软管以双层跑道的布局紧密贴合于三层黄铜 板之间, 以延长液体在加热块中的流动时间,保证出口流动液体温度的精确控制。计算了不同内径的不锈钢软管最小管 长和控制系统的最小加热功率。采用半导体制冷片为流体加热/制冷元件, 设计制作了其功率驱动和换向电路。采用基 于 P ID闭环控制的 VC+ + 程序设计方法实现了温度自动控制。实验结果明: 温度控制系统的平均升/降温速度为 14 e / m in, 稳态温度控制示值误差< ? 2 e ,能够满足 DMFC 恒定温度条件下实时测试的要求。 关 键 词: 直接甲醇燃料电池;测试; 温度控制 中图分类号: TM911. 4 文献标识码: A Temperature controlling system for direct methanol fuel cell testing LI M iao- miao 1 , LIU Chong 1, 2 , L IAN G Jun-sheng 1 , KONG Ling-hua 1 , ZHANG Wen-tao 1 (1. K ey L abor atory f or Micr o/ N ano Technology and S y stem of L iaoning P rov ince, Dal ian Univer si ty of T echnolog y , Dalian 116023, China; 2. K ey L abor atory f or Pr eci sion & N on-T r adi tional Machining T echnology of the M inist ry of E ducat ion, Dalian Univ ersi ty of T echnology , D al ian 116023, China) Abstract: A test ing system w as established to contr ol the liquid fuel temperature of Direct Methanol Fuel Cells( DM FCs) . In view of the temperatur e controlling for a certain f lux liquid fuel, a heating block w as fabricated, in w hich a f lexible stainless steel pipe w as laid w ith a double-runw ay for heating up the methano l solution. T he minimum leng th of the pipe and the heating pow er of the controlling system w ere calculated. Furthermo re, semiconductor- ref rigerat ing chips were ut ilized to heat and cool the liquid f low during test ing procedur es and a pow er actuat ion cir cuit and a t ransit io n circuit acco rd- ing to the contro lling requirements of the semiconducto r- ref rigerat ing chips and the test ing system w ere also developed. On the basis of PID based clo sed- loop controller, the liquid temper ature w as contro lled automat ically and accur atelly by a sof tw are module w rit ten in Visual C+ + . Experimental results show that the average cooling and heat ing velocity of the temperatur e controlling system is 14 e / min, and the precision of temperature controlling is bet ter than ? 2 e . It sat isf ies the sy stem re- quirements of real t ime perfo rmance test ing of DMFC. Key words: Direct M ethano l Fuel Cell( DMFC) ; test ing ; temperatur e control 1 引 言 直接甲醇燃料电池( DM FC)是直接利用甲醇 水溶液作为燃料的一种质子交换膜燃料电池, 具 有系统结构简单, 能量密度高, 环境友好, 安全性 高,燃料来源丰富,储存携带方便等优点[ 1-5] ,已广 泛应用于手机、笔记本电脑、摄像机等便携式电子 设备,十分有可能补充和替代目前广泛使用的蓄 电池而成为理想的便携式电源。DMFC 正处于 研发阶段,影响其性能和寿命的因素很多, 除了电 池的膜电极制备材料和工艺, 以及电池的组装工 艺以外,其运行条件,如温度和流量都会对电池的 输出功率产生影响[ 6-9]。电池运行温度是电池能 否获得最佳输出性能的关键参数之一。升高温度 能够提高电池的功率密度, 但温度过高会减少电 池的寿命[ 10-11]。温度对电池性能的影响还需要通 过理论分析和实验研究加以确定, 因此, 构建 DMFC阳极燃料的温度控制系统是研究温度对 DMFC性能影响的重要工具。 针对 DMFC 阳极燃料温度控制的特点, 有 必要搭建用于加热/制冷流动液体的温度控制系 统。目前,液体加热装置有多种形式,但多数是用 于静止液体的加热装置。Dixon For d[ 12] 公开了 一种采用蛇形流场结构的平板对流动液体加热的 方法,加热板通过铝箔对流经平板上蛇形流场的 流体进行加热,但是蛇形流场的尺寸太大影响加 热效果,尺寸太小则增加流场加工难度,而且平板 和铝箔的密封也比较困难。宥诚科技股份有限公 司[ 13] 介绍了一种采用若干个电加热体加热石英 管内的流动液体的加热装置, 当液体流经石英管 内部的流道时被电加热体加热。但是整个加热器 里被加热流体的腔体体积较大,而且控制系统没 有制冷装置, 稳定输出设定温度的液体需要较长 的时间,温度响应时间长。 本文针对 DMFC的特性,以满足燃料电池阳 极燃料的温度精确控制为目标,设计了将不锈钢 软管以双层跑道的布局紧密贴合于三层黄铜板之 间的特殊结构,用于延长液体在加热块中的流动 时间。计算了不锈钢软管的最小管长和控制系统 的加热功率,保证出口液体温度的精确控制。采 用半导体制冷片为流动液体的加热/制冷元件, 实 现燃料电池阳极燃料的温度快速控制, 设计并制 作半导体制冷片的功率驱动和换向电路, 并建立 起相关的软硬件测试平台。 2 DMFC测试用温度控制系统的构建 为了研究温度对阳极主动式 DMFC 性能的 影响,需要对定速流动的阳极燃料(甲醇溶液)进 行温度控制。根据这个特点, DM FC 测试用温度 控制系统的功能需求为:将定速流动的液体(流量 为: 0~ 80 ml/ m in)的温度控制在室温~ 80 e ; 温 度控制精度为 ? 2 e ; 平均升/降温速度> 2 e / m in;加热装置不污染燃料, 即对甲醇呈现惰性。 温度控制系统的基本组成如图 1所示。温度 传感器用来监测加热对象的温度,并将之转化为 电信号;温度变送模块将温度传感器得到的电信 号转化为标准的电流/电压信号; A/ D转换将连 续的模拟量转化成离散的数字量,并送入计算机 进行处理;工业控制计算机通过软件控制策略将 这些信号进行数据处理后控制计算机板卡, 进而 控制功率驱动电路及加热元件的工作状态, 使加 热对象的温度满足用户需求。 图 1 温度控制模块组成 F ig. 1 T emperatur e cont ro lling module 因为控制系统的加热对象为流动的液体, 需 要将入口温度为室温的甲醇水溶液在流动过程中 均匀加热到所需的出口温度。根据以上分析, 本 文提出了如图 2所示的总体设计。将用于燃 料流动通道的不锈钢软管放置于两片紧密贴合的 黄铜板之间;两个黄铜板相接触的面加工有稍大 944 光学 精密工程 第 18 卷 于不锈钢软管半径的半圆形沟道;黄铜板和不锈 钢软管之间加入导热剂以保证两者的良好接触。 采用半导体加热/制冷片给黄铜板加热/制冷, 在 黄铜板和液体出口处放置温度传感器, 监测和反 馈黄铜块和液体燃料的温度, 进而控制液体燃料 的加热温度。选用测温范围为- 50 ~ 150 e 的 Pt100热电阻温度传感器。 图 2 加热装置方案设计 Fig. 2 Design scheme of heating device 2. 1 加热装置设计 2. 1. 1 最小管长计算 为了使甲醇水溶液在流动过程中被均匀加热 到所需的出口温度, 实现对出口流体温度的精确 控制,需要确定不锈钢软管的最小管长,以保证流 体在加热块中的流动时间。 根据加热装置对甲醇惰性的设计要求, 选择 具有耐腐蚀、耐温为- 200~ 90 e 和导热良好(导 热系数: 17 W/ m # e )特性的 1Cr18Ni9T i不锈 钢软管作为甲醇溶液的流动通道。以下将根据能 量平衡关系和换热准则方程等关系式 [ 14-15] , 计算 不锈钢软管的最小管长。 取甲醇溶液的浓度为 4 mol, 不锈钢软管的 内径 d1= 1 mm,外径 D 1= 2 mm。甲醇溶液的最 大流量 u= 80 m l/ min= 1. 333 @ 10- 6 m3 / s。则雷 诺数: Ref1= w 1 d1 Tf = (4u/Pd 2 1 ) d1 Tf = 3 144> 2 100 , ( 1) 式中: w 1 为最大流速( 1. 698 m / s) , Tf 为甲醇溶液 在定性温度时的运动粘度(0. 540 @ 10- 6) ,属于层 流区与湍流区之间的过渡区 [ 16]。 传热系数: A= N uf # Kf d = 0. 012( R e0. 87f - 280) Pr 0. 4 f 1+ d 1 2 3 Pr f P rw 0. 11 # Kf d , ( 2) 式中: N u f 为努塞尔数, d 为管的内径, l 为管的长 度, Pr f 为甲醇溶液在定性温度时的普朗特数, P rw 为甲醇溶液在管壁温度时的普朗特数, Kf 为 甲醇溶液在定性温度时的粘度。 由管内的能量平衡关系(从管壁传入的热量 等于流体吸收的热量) : APdl(Hw- Hfa+ Hfb 2 )= w #Pd 2 4 #Q# cp # (Hfb- Hfa), ( 3) 式中: cp 为定压比热容, Hw 为管道壁温( 80 e ) , Hfb为甲醇溶液在管道出口处的温度( 80 e ) , Hfa为 甲醇溶液在管道入口处的温度( 20 e ) ; 联立公式(2)和( 3)求解得: l1 = 0. 556 0 m, A1 = 10 011 W/ ( m 2 # e )。 采用同样的方法计算不锈钢软管的内径 d2 = 2 mm ,外径 D 2= 3 mm和内径 d3= 3 mm,外径 D 3= 4 mm 的不锈钢最小管长和传热系数, 其结 果如表 1所示。内径 1 mm 的不锈钢管传热效率 最高,最小长度最小, 性能最佳。因此, 本文选择 内径 1 mm 的不锈钢管作为甲醇溶液的流动通 道。 表 1 不同内径管的传热计算结果 T ab. 1 H eat transfer calculat ion in different pipes 内径 d / mm 外径 D / mm 传热系数 A / W/ ( m2 # e ) ) 所需最小管 长 l/ m 1 2 10 011 0. 556 2 3 1 101 1. 492 3 4 734 1. 492 2. 1. 2 管道布局设计 在黄铜板有限的空间内,尽可能地增加不锈 钢管的长度,以延长甲醇溶液的流动时间,提高加 热效率并确保温度的精确控制。因此需要对不锈 钢管进行弯曲布局设计, 如图 3所示。使用三片 黄铜板紧密贴合双层跑道形的管道。此布局设计 具有管道长度较长、加热效率较高、且流体管道的 出口和入口分居两侧等优点。将不锈钢管按照弯 曲布局设计放入黄铜板的半圆形槽中, 用螺丝固 945第 4期 李苗苗,等: 直接甲醇燃料电池测试用温度控制系统 定三块铜板, 如图 4所示。 图 3 双层跑道形管路布局 F ig . 3 Pipe lay out of double- runway 图 4 加热模块的铜板组装示意图 F ig. 4 Copper plate assembly o f heat ing module 2. 1. 3 加热功率的计算 在选取加热器件半导体制冷片的型号之前, 需要对加热装置进行加热功率的计算。本控制系 统主要包括两部分的加热功率: ( 1)铜块、不锈钢 金属软管及静止的甲醇溶液的加热功率; ( 2)当加 热模块加热到设定的温度后定流量通入甲醇溶液 的加热功率。 黄铜加热块升温所需要的热量 Qcopper为: Qcopper= cp copperQcopperV copper$T = 5. 39 @ 104 J , ( 4) 式中: Q copper为黄铜加热块升温所需要的热容量, cp copper为黄铜加热块的比热容, Qcopper为黄铜加热块 的密度, V copper为黄铜加热块的体积, $T 为温度改 变值, l copper、dcopper、hcopper分别为铜块长度、宽度、高 度, D为不锈钢管外径, l tube为不锈钢管管长。 同样方法计算得出, 不锈钢金属软管升温所 需要的热量 Q tube= 1. 531 @ 103 J, 甲醇溶液升温 所需要的热量 Qmethanol= 540. 3 J。 取黄铜块升温所需时间 t= 5 m in= 300 s, 则 铜块升温所需的加热功率为: p b lock = Q block t = Q copper+ Qtube+ Qmethanol t = 186. 7 W , ( 5) 甲醇溶液以定流量 u liquid流过不锈钢软管时, 所需的加热功率为: p liquid= Q liquid t = u liquid # Q# cp # (Hfb- Hfa) t = 309. 33 W . ( 6) 因此,系统所需的最小加热功率为309. 33 W。 2. 1. 4 加热装置组装设计 本控制系统加热/制冷元件采用的半导体制 冷片是一种能起小型热泵作用的半导体电子器 件,可通过改变直流电的正负极性,实现加热或制 冷。根据加热功率的计算结果, 选用 4片功率为 180 W 的半导体制冷片, 则系统总的加热功率为 720 W,远大于 309. 33 W的加热功率需求。根据 其长@ 宽@ 高为 55 mm @ 55 mm @ 3. 64 mm 的 外形尺寸,设计了如图 6所示的组装方案。导热 性能差的高压聚乙烯板材用于半导体制冷片的固 定和加热装置的保温(图 5 所示) ;风扇用于半导 体制冷片的散热。将高压聚乙烯板和风扇通过带 有隔热套的螺钉固定在三块铜板的两侧。 图 5 半导体制冷片及隔热板组装示意图 F ig. 5 Assembly of semiconducto r- r ef rig erating chip and insulation board 图 6 加热装置组装示意图 F ig. 6 H eating equipment 2. 2 硬件设计 根据半导体制冷片的性能参数, 驱动电路需 946 光学 精密工程 第 18 卷 要供给 24 V 的直流电,且可以切换电流方向来改 变半导体制冷片的加热/制冷状态。根据这个需 求分析,设计了如图 7所示半导体制冷片的驱动 电路原理图, 它包括功率驱动部分和电流换向部 分。 控制信号 SA1用于控制半导体制冷片的供 电。当 SA1为低电平时, 光电耦合导通, 三极管 截止, NMOS 管导通, 则半导体制冷片供电回路 导通,半导体制冷片获得 24 V 供电电压, 开始工 作;当 SA1为高电平时, 半导体制冷片供电回路 断开,停止工作。控制信号 SA2用于控制半导体 制冷片的电流方向。当 SA2 为低电平时,光电耦 合导通,三极管导通, 继电器闭合, 电路输出反向 电流, 半导体制冷片的使用面为制冷状态; 当 SA2为高电平时, 电路输出正向电流, 半导体制 冷片的使用面为加热状态。 图 7 半导体制冷片功率驱动及换向控制电路 F ig . 7 Pow er actuation and transitio n circuit 2. 3 控制软件 在本控制系统中,使用自适应 PID [ 17-18] 闭环 控制来实现温度精确控制, 并采用面向对象的 Visual C+ + 程序设计方法完成了类的设计和实 际编程。控制软件的界面如图 8所示,包括温度 控制和状态显示两个部分。温度控制组用户不仅 可以方便地设置目标温度, 点击运行即可进行温 度自动控制, 而且具有功能,以备试验分析和 数据处理使用。状态显示组用于实时显示加热对 象的温度和运行时间, 采用 LED数码管风格和实 时曲线两种方式显示加热块的温度, 直观表现被 控制量的变化过程和趋势。 图 8 温度控制的主界面 Fig. 8 Main interface of temperature controlling module 3 结果与讨论 温度控制系统的实物照片如图 9 所示, 开关 电源为半导体制冷片驱动电路的 24 V 供电电源, 蠕动泵用于定流量的输运甲醇溶液,组装好的加 热装置能够在控制软件的 PID 闭环控制下实现 对甲醇溶液温度的精确控制。 图 9 控制系统实物照片 Fig . 9 H ardware photo of contr olling sy stem 在实验前需要先对温度传感器进行标定。 本文采用两个热电阻温度传感器分别监测加热模 947第 4期 李苗苗,等: 直接甲醇燃料电池测试用温度控制系统 块的温度和加热模块出口处甲醇溶液的温度, 前 者使用分辨率为 0. 1 e 的铂电阻传感器标定, 后 者使用分辨率为 0. 1 e 的水银温度计标定。使用 铂电阻传感器标定时, 将铂电阻传感器和温度传 感器置于加热模块中, 同时记录不同功率下的铂 电阻传感器和热电阻传感器的示值, 得出他们的 温度曲线,如图 10所示;使用水银温度计标定时, 同时将水银温度计和热电阻传感器置于水浴箱 中,当温度达到稳定后同时记录水银温度计和热 电阻传感器的示值, 得出他们的温度曲线, 如图 11所示。由图可知两个温度传感器的示值误差 均< ? 0. 5 e 。 ( a)升温曲线 ( a) H eating curv e ( b)降温曲线 ( b) Cooling curve 图 10 加热模块的温度传感器标定结果 F ig. 10 Calibr ation of temperature sensor fo r heat- ing module 根据燃料电池测试的需求, 设定不同测温点 进行温度控制性能实验。实验中,在不同的流量 条件下,使各测温点的温度分别上升到各目标温 ( a)升温曲线 ( a) H eating curv e ( b)降温曲线 ( b) Cooling curve 图 11 甲醇溶液的温度传感器标定结果 F ig. 11 Ca librat ion o f temperatur e senso r fo r metha- no l solut ion 度点,记录升温过程的数据,温度到达各测温点后 持续 600 s以上,记录稳态过程的数据;使各测温 点的温度分别降低到各目标温度点,记录降温过 程的数据。试验点为加热模块的温度和加热模块 出口处甲醇溶液的温度。图 12和图 13分别为实 验得到的升温过程曲线和降温过程曲线。从图中 可知,不同的温度段, 上升和下降 20 e 的速度斜 率不同。随着温度的升高, 温度上升的速度降低, 达到稳态的时间增长; 而随着温度的降低,温度下 降的速度降低, 达到稳态的时间增长。这是因为 温度越高,整个系统的散热越快,所需的加热功率 948 光学 精密工程 第 18 卷 增大,温度增加的速度降低;相反地, 温度越高, 所 需的致冷功率减小, 温度降低的速度增加。系统 的最低升/降温速度为: 7 e / m in,平均升/降温速 度大约为 14 e / min。图 14 为实验得到的稳态 过程曲线,从图中可以看出,各测温点的温度波动 分别对应为: 20. 06~ 20. 63 e 、39. 32 ~ 41. 12 e 、59. 16~ 60. 65 e 、79. 18~ 80. 89 e , 能够满 足稳态时温度波动< ? 2 e 的要求。 ( a)甲醇溶液流量: 45 ml/ min ( a) F low rate: 45 ml/ min ( b)甲醇溶液流量: 30 ml/ min ( b) F low rate: 30 ml/ min 图 12 升温过程实验结果 Fig. 12 Curves of temperature vs time in heating process ( a)甲醇溶液流量: 45 ml/ min ( a) F low rate: 45 ml/ min ( b)甲醇溶液流量: 30 ml/ min ( b) F low rate: 30 ml/ min 图 13 降温过程实验结果 Fig. 13 Curves of temperature vs time in cooling process 图 14 稳态过程实验结果 F ig. 14 Results of output liquid temperature v s time in steady 4 结 论 本文根据 DMFC测试用温度控制系统的需 求,以满足定流量供给的甲醇溶液温度精确控制 为目标,设计出便于控制变速流动液体的加热装 置,建立起相关的软硬件测试平台, 实现了 DM- FC工作中甲醇溶液定流量流动条件下温度的精 确控制。 实验结果表明, 系统的平均升/降温速度为 14 e / min,远大于 2 e / min的需求,并且系统对 温度的控制示值误差< ? 2 e 。控制系统性能稳 定,操作方便, 完全能够满足 DMFC 恒定温度条 件下实时测试的要求, 为 DMFC 的研制和开发提 供了有力的工具。 949第 4期 李苗苗,等: 直接甲醇燃料电池测试用温度控制系统 参考文献: [ 1] KAMIT ANI A, M ORISH ITA S, KOTAKI H , et al . . 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( in Chinese) 作者简介: 李苗苗( 1981- ) , 女,江苏徐州人, 博士 研究生, 2004 年、2007 年于大连理工大 学分别获得学士、硕士学位, 主要从事 直接甲醇燃料电池的研究。E-mail: limiaomiao_mems@ 163. com 刘 冲( 1963- ) , 男,湖北武汉人, 工学 博士,教授, 博士生导师,主要从事微机 电工程、精密仪器及机械的研究。E- ma il: chong l@ dlut. edu. cn 梁军生( 1973- ) , 男,广西桂林人, 助理 研究员, 1995 年于合肥工业大学获得 学士学位, 2003 年于桂林电子科技大 学获得硕士学位, 2007 年于大连理工 大学获博士学位, 主要从事 M EMS 燃 料电池及微器件封装的研究。E-mail: jsliang@ dlut. edu. cn 孔令华( 1985- ) , 男,山东滕州人, 硕士 研究生, 2007 年于大连理工大学获得 学士学位,主要从事燃料电池测试系统 的开发和研究。E-mail: klhua1985@ 163. com 张文涛 ( 1983 - ) , 男, 山东威海人, 硕 士, 2006 年于西南交通大学获得学士 学位, 2009 年于大连理工大学获得硕 士学位,主要从事燃料电池电源管理方 面的研究。E-mail: zwt 3710 @ 163. com (本栏目编辑: 李树军) 951第 4期 李苗苗,等: 直接甲醇燃料电池测试用温度控制系统