張明軒，陳東雷，程宏輝，劉晶晶，徐林華，惠志文

（1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州大學(xué) 電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引 言

氫能是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗絹?lái)越受到人們的關(guān)注[1-2]。在整個(gè)氫能體系中，儲(chǔ)運(yùn)是當(dāng)下制約氫能發(fā)展的主要環(huán)節(jié)。金屬氫化物儲(chǔ)氫具有安全性高，體積儲(chǔ)氫密度大等優(yōu)點(diǎn)，已成為一種重要的儲(chǔ)氫方式[3]。在金屬容器中填裝儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫罐，是目前正在發(fā)展的新型固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)[4-5]。然而，儲(chǔ)氫合金起初既不能吸氫，也不能放氫，通常需要與高溫高壓下的氫氣氛接觸，高壓吸氫，恒定一段時(shí)間，再進(jìn)行減壓脫氫，這樣反復(fù)進(jìn)行多次，才能獲得穩(wěn)定的吸放氫性能，這個(gè)過(guò)程稱為活化處理[6]。安泰創(chuàng)明新能源材料（常州）研究院有限公司正在建設(shè)一條金屬氫化物儲(chǔ)氫罐生產(chǎn)線，其中，重要環(huán)節(jié)是對(duì)儲(chǔ)氫罐進(jìn)行批量活化處理。

LabVIEW是由美國(guó)NI公司開發(fā)的一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言，為實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了便捷途徑[7-8]。使用該語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)、調(diào)試并最終實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)，可顯著縮短開發(fā)周期，提高工作效率。

現(xiàn)有金屬氫化物儲(chǔ)氫罐活化設(shè)備存在操作性能差、效率低、能耗大等缺點(diǎn)。本文根據(jù)用戶實(shí)際生產(chǎn)需求，研制基于LabVIEW的多通道金屬氫化物儲(chǔ)氫罐活化裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)20個(gè)金屬氫化物儲(chǔ)氫罐同時(shí)進(jìn)行熱耦合循環(huán)活化，放氫容量性能檢測(cè)，氮?dú)夥庋b以及程序的自啟動(dòng)等功能。

1 活化裝置的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

金屬氫化物儲(chǔ)氫罐活化裝置硬件結(jié)構(gòu)由氣路系統(tǒng)，恒溫系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成（見圖1）。整套氣路采用不銹鋼氬弧焊完成焊接加工，呈現(xiàn)兩列對(duì)稱結(jié)構(gòu)，最高可承受20 MPa的壓力，并采用雙關(guān)斷快速接頭與金屬氫化物儲(chǔ)氫罐相連接。通過(guò)氣動(dòng)隔膜閥的開關(guān)控制氣體流向，并利用壓力傳感器和指針式壓力表同時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力。金屬氫化物儲(chǔ)氫罐活化裝置配有可制冷的高低溫水浴槽，溫控范圍在10～90℃，可滿足常規(guī)稀土金屬氫化物儲(chǔ)氫罐循環(huán)活化的恒溫需求?？刂葡到y(tǒng)的硬件主要包括計(jì)算機(jī)、USB-6003數(shù)據(jù)采集卡、傳感器、質(zhì)量流量控制器、電磁閥組以及氣動(dòng)隔膜閥等。傳感器輸出信號(hào)經(jīng)變送器送入U(xiǎn)SB-6003數(shù)據(jù)采集卡AI端，由LabVIEW軟件將溫度、壓力數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在程序的前面板上。氣動(dòng)隔膜閥的開關(guān)則是由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)電磁閥驅(qū)動(dòng)板控制電磁閥組的狀態(tài)，從而驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)隔膜閥。質(zhì)量流量控制器所測(cè)流量信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡AI端進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換[9]，然后送至上位機(jī)處理。同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡DO端還可以對(duì)質(zhì)量流量控制器信號(hào)的輸入端進(jìn)行設(shè)定，從而調(diào)節(jié)其內(nèi)部電磁閥開口大小，以控制氫氣流量。

圖1 多通道金屬氫化物儲(chǔ)氫罐活化裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 測(cè)試系統(tǒng)軟件的編寫

在利用LabVIEW軟件編程之前，對(duì)多通道金屬氫化物儲(chǔ)氫罐循環(huán)活化的過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)出如下流程（見圖2）。

圖2 循環(huán)活化流程圖

首先設(shè)定循環(huán)次數(shù)，充氫時(shí)間，抽真空時(shí)間和恒溫溫度。當(dāng)水浴溫度達(dá)到恒溫溫度時(shí)，先打開V2，使壓力傳感器14實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氫罐內(nèi)壓力。接著打開V6和V7，對(duì)兩列金屬氫化物儲(chǔ)氫罐進(jìn)行抽真空，去除儲(chǔ)氫罐內(nèi)雜質(zhì)氣體，避免對(duì)儲(chǔ)氫材料造成毒化[10]。該過(guò)程由設(shè)定的抽真空時(shí)間控制。抽真空完成后，進(jìn)入充氫步驟，兩列金屬氫化物儲(chǔ)氫罐按先后順序進(jìn)行充氫。首先打開V4，對(duì)第一列儲(chǔ)氫罐進(jìn)行充氫，利用設(shè)定的時(shí)間控制充氫過(guò)程，使金屬氫化物儲(chǔ)氫罐吸氫飽和。接著關(guān)閉V4，打開V5和V9，對(duì)第二列金屬氫化物儲(chǔ)氫罐充氫，同時(shí)第一列儲(chǔ)氫罐對(duì)外高壓放氫。

由于金屬氫化物儲(chǔ)氫罐吸氫時(shí)會(huì)放出大量的熱，而放氫時(shí)則要吸收大量的熱[11]。在活化過(guò)程中，吸放熱量大小基本相等，即形成熱耦合，從而顯著降低高低溫水浴槽能耗。當(dāng)?shù)谝涣袃?chǔ)氫罐壓力降至0.12 MPa時(shí)，關(guān)閉V5，打開V6，對(duì)該列金屬氫化物儲(chǔ)氫罐低壓脫氫。采用分壓式脫氫，即通過(guò)高壓放氫、低壓抽真空的方式，可快速完成金屬氫化物儲(chǔ)氫罐脫氫，同時(shí)避免了連續(xù)過(guò)快的高壓氣流直接進(jìn)入真空泵，造成泵的損傷。接著，對(duì)第一列金屬氫化物儲(chǔ)氫罐進(jìn)行充氫，同時(shí)對(duì)第二列儲(chǔ)氫罐進(jìn)行放氫。最后，判斷循環(huán)活化次數(shù)是否滿足設(shè)定次數(shù)。當(dāng)達(dá)到設(shè)定次數(shù)，活化結(jié)束，否則，兩列金屬氫化物儲(chǔ)氫罐繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)吸放氫。

圖3為該循環(huán)活化測(cè)試的程序框圖，是整個(gè)測(cè)控程序的核心部分，分為四個(gè)模塊[12]：

圖3 循環(huán)活化測(cè)試程序框圖

1）初始化模塊。該模塊對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象或局部變量賦予初始值，設(shè)定軟件系統(tǒng)的初始化狀態(tài)。

2）數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器和質(zhì)量流量控制器所測(cè)信號(hào)的采集、壓縮，并將原始數(shù)據(jù)與結(jié)果存儲(chǔ)在txt文件中。

3）閥控模塊。該模塊決定了整個(gè)循環(huán)活化的順序流程。該模塊主要以“For循環(huán)+條件結(jié)構(gòu)+移位寄存器”構(gòu)成，依據(jù)實(shí)時(shí)的壓力與時(shí)間數(shù)據(jù)，對(duì)閥門的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。創(chuàng)建枚舉常量，設(shè)置“充氫”“高壓放氫”“低壓抽真空”三種狀態(tài)，并利用移位寄存器，完成各個(gè)狀態(tài)間的切換。

LabVIEW具有數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，可自動(dòng)進(jìn)行多線程操作，實(shí)現(xiàn)兩路循環(huán)同時(shí)進(jìn)行。

4）顯示模塊。該模塊將采集返回的數(shù)據(jù)以字符串和波形圖的方式在前面板中顯示。

金屬氫化物儲(chǔ)氫罐循環(huán)活化需要在高溫下進(jìn)行，而高低溫水浴槽升溫過(guò)程需要很長(zhǎng)時(shí)間，因此設(shè)計(jì)了循環(huán)活化的自啟動(dòng)功能，即通過(guò)監(jiān)測(cè)高低溫水浴槽內(nèi)溫度，并在波形圖表中實(shí)時(shí)顯示溫度-時(shí)間圖像，利用“數(shù)組最大值與最小值”函數(shù)，求出圖表區(qū)域內(nèi)的波峰值和波谷值，并實(shí)時(shí)與設(shè)定溫度值相比較。當(dāng)溫差小于0.2℃，并維持10 min，則系統(tǒng)判定高低溫水浴槽內(nèi)溫度已恒定，開始循環(huán)活化測(cè)試，避免了操作者在循環(huán)活化測(cè)試前反復(fù)查看高低溫水浴槽溫度，實(shí)現(xiàn)循環(huán)活化測(cè)試從啟動(dòng)、運(yùn)行到結(jié)束的全流程無(wú)人值守，顯著提高了金屬氫化物儲(chǔ)氫罐循環(huán)活化的生產(chǎn)效率。

對(duì)已完成活化處理的金屬氫化物儲(chǔ)氫罐，需要檢測(cè)其放氫性能。同一批次儲(chǔ)氫罐的放氫性能基本一致，因此，采用隨機(jī)抽檢其中一個(gè)儲(chǔ)氫罐的方式，既可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫罐的質(zhì)量控制，又可降低檢測(cè)強(qiáng)度。放氫測(cè)試程序主要模塊如圖4所示。該測(cè)試程序?qū)毫土髁繑?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，利用質(zhì)量流量控制器對(duì)單個(gè)金屬氫化物儲(chǔ)氫罐進(jìn)行放氫性能測(cè)試，實(shí)時(shí)記錄金屬氫化物儲(chǔ)氫罐壓力、溫度和放氫流量的變化。放氫測(cè)試階段，首先將質(zhì)量流量控制器的閥控開關(guān)置到“關(guān)閉”位，利用此方法可有效避免在放氫測(cè)試初始階段，由于質(zhì)量流量控制器內(nèi)部電磁調(diào)節(jié)閥未完全關(guān)閉，而導(dǎo)致的流量過(guò)沖現(xiàn)象。接著打開V1，待質(zhì)量流量控制器預(yù)熱至零點(diǎn)穩(wěn)定后，再將開關(guān)切換至“閥控”位，最后設(shè)定放氫流量，控制質(zhì)量流量控制器開始工作，利用“時(shí)域數(shù)學(xué)Express VI”函數(shù)，對(duì)瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)積分運(yùn)算，獲得累積放氫流量，其計(jì)算公式為：

圖4 放氫測(cè)試程序框圖

式中：1.01表示氫氣的轉(zhuǎn)換系數(shù)；qm表示質(zhì)量流量控制器測(cè)試獲得的瞬時(shí)放氫流量。當(dāng)瞬時(shí)放氫流量降至0.4 SLM（2%FS），程序判定金屬氫化物儲(chǔ)氫罐放氫完畢，并將質(zhì)量流量控制器內(nèi)部電磁調(diào)節(jié)閥調(diào)至關(guān)閉狀態(tài)，放氫測(cè)試結(jié)束。操作者在使用過(guò)程中，只需設(shè)定放氫流量，其余工作均由程序自動(dòng)完成。

將循環(huán)活化程序和放氫測(cè)試程序集成在一個(gè)主程序上，并通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)用VI的方式實(shí)現(xiàn)多程序界面的切換功能。以調(diào)用循環(huán)活化程序?yàn)槔ㄒ妶D5）。該部分首先在while循環(huán)里創(chuàng)建事件結(jié)構(gòu)，接著通過(guò)“標(biāo)簽文本”屬性節(jié)點(diǎn)和“連接字符串”，形成文本字符串常量“..循環(huán)活化.vi”，以它作為“創(chuàng)建路徑”函數(shù)的相對(duì)路徑。接著，獲取循環(huán)活化程序的引用，判斷“循環(huán)活化.vi”的狀態(tài)，如果位于內(nèi)存中但沒有運(yùn)行（Idle），則采用“Run VI”調(diào)用節(jié)點(diǎn)運(yùn)行處于內(nèi)存中的循環(huán)活化程序，并把程序的前面板在子面板中顯示出來(lái)。

圖5 界面調(diào)用程序框圖

3 測(cè)試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證金屬氫化物儲(chǔ)氫罐活化裝置的性能以及測(cè)試程序的使用效果，對(duì)20個(gè)金屬氫化物儲(chǔ)氫罐進(jìn)行活化處理?；罨瘲l件：水浴溫度80℃，吸氫時(shí)間3 600 s，抽真空時(shí)間3 600 s，循環(huán)5次。儲(chǔ)氫合金為L(zhǎng)a0.75Mg0.25Ni3.05Co0.2Al0.05Mo0.2，所測(cè)兩列金屬氫化物儲(chǔ)氫罐壓力-時(shí)間曲線如圖6所示。

圖6 循環(huán)活化測(cè)試曲線圖

對(duì)單個(gè)金屬氫化物儲(chǔ)氫罐進(jìn)行放氫容量測(cè)試，獲得瞬時(shí)流量和累積流量隨時(shí)間的曲線如圖7所示?？傻?，經(jīng)過(guò)104.7 min，累積放氫流量為247.44 SL。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[13]中的相關(guān)曲線分析，可以得出在同等條件下，與完全活化的儲(chǔ)氫合金累積放氫量基本一致。因此，研制的活化裝置性能良好，可完成多通道金屬氫化物儲(chǔ)氫罐批量活化處理。

圖7 放氫流量測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

本文利用LabVIEW軟件編寫循環(huán)活化測(cè)試程序和放氫測(cè)試程序，可實(shí)現(xiàn)20通道金屬氫化物儲(chǔ)氫罐循環(huán)活化及其放氫性能檢測(cè)，滿足企業(yè)對(duì)金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的實(shí)際生產(chǎn)需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所編測(cè)試程序，工作性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，具有多程序界面切換功能，采用“一列充氫，一列放氫”的循環(huán)活化方式，實(shí)現(xiàn)熱耦合，顯著降低能耗，自動(dòng)化程度高；同時(shí)，采用同批次抽檢機(jī)制，降低了檢測(cè)評(píng)價(jià)的工作量，顯著提高金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的活化生產(chǎn)效率。