基于STM32 的電解槽測試系統設計與實現

周 杰，俞文光

（中控技術股份有限公司，杭州 310051）

在碳達峰和碳中和的目標下，氫氣作為一種綠色能源受到了廣泛重視，利用可再生能源進行電解水制氫是目前眾多氫氣來源方案中碳排放最低的工藝[1]。水電解制氫主要有3 種：堿性水電解制氫、PEM 質子交換膜水電解制氫和固體氧化物水電解制氫技術[2]。PEM 電解槽（以下簡稱電解槽）能在高電流密度下工作，體積小，效率高，生成的氫氣純度可高達99.9%，被認為是最有發展前景的電解水制氫技術[3]。近年來，出氫量小于600 mL/min 的小型電解槽被廣泛應用于吸氫機以及富氫水機。本文以小型電解槽為對象，針對其性能測試設計開發了一套基于STM32 的多通道電解槽測試系統，該測試系統具有水箱液位檢測及自動補水、純水TDS 檢測、電解槽直流電流給定、電解槽電壓檢測、電解槽出氫口堵塞檢測、電解槽出水及出氧狀態檢測以及數據通訊等功能。

1 PEM 電解槽制氫工作原理

PEM 電解槽是由導電極板、擴散層和涂布有催化劑的質子膜電極等組成[4-6]，其結構原理如圖1 所示。將電解槽正負極連接到外部直流電源上，在催化劑作用下，水在膜兩側表面分別電解析出氫氣和氧氣。電解槽在工作過程中，液態水作為電解的原料從陽極極板的流道進入，經過擴散層到催化劑表面。此時，在電解槽正負極通入直流電源，在陽極電極表面產生電化學反應產生氧氣和氫離子，產生的氧氣通過擴散層又回到陽極端板的流道被水帶出。氫離子在水的攜帶下通過質子交換膜轉移到陰極，在陰極催化劑的作用下產生氫氣，產生的氫氣和攜帶過來的水通過擴散層進入陰極流道排出[7-9]。

圖1 電解槽結構示意圖Fig.1 Structure diagram of electrolysis cell

PEM 電解槽在陽極和陰極發生的電化學反應如下[10]：

陰極：2H++2e-→H2

2 PEM 電解槽測試系統的整體設計

如圖2 所示，多通道電解槽智能測試系統主要由水箱、泵、電解槽、直流電源、控制系統及上位機等部分組成。水箱內裝入純水，用于電解槽測試時循環使用，水箱設有加水泵、上下液位傳感器、TDS傳感器。純水在循環泵的作用下，經過過濾器后分為多個管路連接到多個電解槽進水口，接著從電解槽出氧/水口出來，然后匯合后流回水箱。電解槽進水管路和出氧/水管路上設有電磁閥，用于控制水是否流通。電解槽出氧/水管路上設有水流傳感器，用于檢測電解槽出水及出氧狀態。與電解槽出氫口連接的管路出口處設有氫氣傳感器，用于檢測電解槽出氫狀態?？刂葡到y用于直流電源電流的給定、電解槽電壓及相關狀態信息采集并將相關數據信息傳輸到上位機。上位機用于顯示、存儲控制系統傳輸過來的相關數據信息以及下發相關指令到控制系統。

圖2 多通道電解槽測試平臺的結構示意圖Fig.2 Structure diagram of multi-channel electrolytic cell test platform

本文基于STM32F103 提出了多通道電解槽測試系統的總體方案，主要分為采集模塊、檢測模塊、控制模塊和通訊模塊，其總體方案如圖3 所示。采集模塊負責采集電解槽的電壓、環境溫濕度、TDS 及水溫。檢測模塊負責采集水箱水位、出氫狀態以及出氧/水狀態信息，控制模塊負責對循環泵、電磁閥、加水泵以及直流電源進行控制。通訊模塊主要負責與上位機之間的通訊，實現人機交互。

圖3 多通道電解槽測試系統的總體框圖Fig.3 General block diagram of multi-channel electrolytic cell test system

3 PEM 電解槽測試系統的硬件設計

為了保證電解槽測試系統的穩定可靠運行，在硬件電路設計過程中要充分考慮其穩定性、可靠性和安全性。電解槽測試系統的硬件系統主要由采集電路、檢測電路、控制電路等部分組成。采集電路主要對電解槽電壓、環境溫濕度、TDS 及水溫進行采集。STM32 的工作電壓為3.3 V，因此其采集的電壓信號范圍為0～3.3 V，而電解槽電壓設定范圍在0～3 V，使用STM32 自帶的12 位ADC 轉換器進行采集轉換。環境溫濕度采集使用DHT11 芯片，與STM32 之間采用簡單的單總線進行通信，只需要一個I/O 口，其電路如圖4 所示。TDS 及水溫采集采用TDS 專用芯片來實現，可以通過STM32 自帶的UART 串口實現數據采集。

圖4 環境溫濕度采集電路Fig.4 Ambient temperature and humidity collection circuit

檢測電路主要檢測的是水箱水位、出氫狀態以及出氧/水狀態信息。相應狀態信息的檢測采用傳感器來實現，傳感器輸出信號為開關信號，只有0 和1兩個狀態，使用STM32 的I/O 口來檢測傳感器輸出狀態，如圖5 所示。

圖5 狀態信息檢測電路Fig.5 Status information detection circuit

控制電路主要實現對循環泵、電磁閥、加水泵以及直流電源進行控制。其中，循環泵、電磁閥和加水泵都是直流設備，可以通過三極管和繼電器來實現控制，其相關控制電路如圖6 所示。直流電源采用專門的直流開關電源，其輸出電壓為DC7 V，輸出電流DC 0～40 A，電流大小支持外部電壓給定，電壓信號范圍0～5 V 對應0～40 A 電流，STM32 自帶的DAC 轉換的電壓信號范圍為0～3.3 V，因此選用MCP4725 數模轉換芯片來實現，MCP4725 采用I2C的通訊方式與STM32 實現通訊，其原理圖如圖7所示。

圖6 泵及電磁閥控制電路Fig.6 Pump and solenoid valve control circuit

4 PEM 電解槽測試系統的軟件設計

測試系統的功能包括水箱液位檢測及自動補水、純水TDS 檢測、電解槽直流電流給定、電解槽電壓檢測、電解槽出氫口堵塞檢測、電解槽出水及出氧狀態檢測以及數據通訊等，測試系統的軟件流程如圖8 所示。

圖8 多通道電解槽測試系統的軟件流程Fig.8 Software flow chart of multi-channel electrolytic cell test system

系統上電以后初始化，測試系統會根據水位傳感器的狀態自動啟動加水泵進行補水。在水箱的底部安裝了TDS 傳感器，當檢測到TDS 超標時，測試系統會停止工作并會發出報警。上位機選定電解槽測試通道與規格后啟動測試，測試系統會啟動循環泵并打開對應通道的進出水電磁閥，測試系統會檢測對應通道電解槽的出水狀態，如果在循環泵及對應通道電磁閥打開的狀態下，出水信號正常，可以進入下一步直流電流給定，如果沒有出水信號，則測試系統給出報警，判斷電解槽陽極堵塞，測試直接結束。

在電解槽給定直流電流的狀態下，測試系統會檢測電解槽電壓和出氫狀態，電解槽電壓小于設定的電壓門限值以及有氫氣信號則電解槽電壓及出氫正常，如果電解槽電壓超過設定的電壓門限值或者沒有氫氣信號，則測試系統給出報警，判斷電解槽電壓異?；虺鰵洚惓?，測試直接結束。

5 現場驗證

根據本文的設計，研發并部署了1 套8 通道的電解槽測試系統，供電解槽測試使用。該測試系統主要有上位機、控制柜、水箱及循環系統等部分組成，如圖9 所示。開發了1 個上位機可以控制各個通道電解槽測試的啟停與測試電流的選擇，并監測各個通道的測試電流與電解槽電壓，上位機如圖10所示。該測試系統安裝部署調試完成后，在現場實際穩定運行近2 年，實踐證明該電解槽測試系統能夠長期穩定可靠地運行。

圖9 多通道測試平臺實物圖Fig.9 Multi-channel test platform physical map

6 結語

本文設計的多通道電解槽測試系統實現了水箱液位檢測及自動補水、純水TDS 檢測、電解槽直流電流給定、電解槽電壓檢測、電解槽出氫口堵塞檢測、電解槽出水及出氧狀態檢測以及數據通訊等功能。配套開發的上位機可以選擇電解槽測試通道與規格，進行電解槽測試啟?？刂埔约半娊獠垭妷旱认嚓P信息的顯示。系統通過測試，運行穩定，操作方便，檢測快速，加快了電解槽的測試效率。