CN102569854A - 一种便携式pemfc燃料电池电源*** - Google Patents

一种便携式pemfc燃料电池电源*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种便携式PEMFC燃料电池电源***，属于燃料电池技术领域。所述电源***包括储氢罐、减压阀、进气阀、PEMFC燃料电池堆、氢气循环泵、汽水分离器、排气阀、蓄电池、功率调节器和电源***控制器。所述电源***通过电源控制***能够实时监测所述电源***的输出电压、输出电流和蓄电池的电压、电流，能够将输出电压一直控制在一个稳定水平，并且在所述电源***出现输入欠压、输出过压、输出短路等故障时，报警并断路保护，提高了所述电源***工作的稳定性，具有广泛的应用前景。

Description

一种便携式PEMFC燃料电池电源***
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种PEMFC燃料电池电源***。
背景技术
燃料电池是一种高效、节能、环保的发电装置，是将存储的燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，具有能量转换效率高，噪音低、污染小、不受卡诺循环限制的特点。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）以氢气为燃料，以氧气或空气作为氧化剂，产物仅仅是水，不污染环境，噪声小，功率密度高，启动时间短，具有广阔的发展前景。但是现有的质子交换膜燃料电池具有输出电压不稳定、工作不稳定的缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种便携式PEMFC燃料电池电源***，具有输出电压稳定、工作稳定的特点。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种便携式PEMFC燃料电池电源***，其特征在于所述电源***包括储氢罐、进气阀、PEMFC燃料电池堆、氢气循环泵、汽水分离器、排气阀、功率调节器和电源***控制器，所述PEMFC燃料电池堆包括由多个燃料单电池串联组成的PEMFC燃料电池反应堆、散热风机、能够采集PEMFC燃料电池反应堆电流、电压和温度的信号采集电路和工作风机，所述储氢罐通过管路经进气阀接所述PEMFC燃料电池反应堆的氢气进气口，所述PEMFC燃料电池反应堆的出气口通过管路经氢气循环泵与所述汽水分离器连接，所述汽水分离器的氢气出气口通过管路与所述PEMFC燃料电池反应堆的氢气进气口连接，所述汽水分离器的排气口通过管路与所述排气阀连接；所述散热风机与所述PEMFC燃料电池反应堆的散热风进气口连接，所述工作风机与所述PEMFC燃料电池反应堆的氧化剂进气口连接；所述信号采集电路的输出端一路与所述电源***控制器的输入端连接，所述信号采集电路的输出端另一路与所述功率调节器的输入端连接；所述电源***控制器的输出端与所述进气阀、散热风机、工作风机、氢气循环泵和排气阀的控制端连接，所述电源***控制器与所述功率调节器双向连接。
所述电源***还包括减压阀，所述减压阀固定连接在所述储氢罐和所述进气阀之间的管路上。
所述电源***还包括蓄电池，所述蓄电池与所述功率调节器双向连接。
所述电源***控制器包括单片机最小***，能够控制指示灯、蜂鸣器、进气阀、排气阀、***上电、负载开关的输出控制电路，能够接收开机按钮信号和关机按钮信号的输入控制电路，能够控制散热风机、工作风机、氢气循环泵和DC/DC变换的D/A变换电路，能够接收燃料电池电流、燃料电池电压、燃料电池温度、蓄电池电流、直流母线电压、环境温度和燃料电池单片电压的A/D变换电路，EEPROM，RS232接口电路和JTAG接口电路；所述单片机最小***包括电源电路、时钟电路和MCU，所述输出控制电路和所述D/A变换电路与所述MCU的输出端连接，所述输入控制电路和所述A/D变换电路的输入端连接，所述EEPROM、RS232接口电路和JTAG接口电路与所述MUC双向连接。
所述MCU的型号为：ATMAGE16。
所述信号采集电路包括电流传感器、电压传感器和温度传感器。
所述功率调节器的型号为：CKN150-12S24。
所述进气阀和排气阀为电磁阀。
本发明的有益效果如下：（1）所述电源***中的电源***控制器和功率调节器组成电源控制***。所述电源控制***能够实时监测所述电源***的输出电压、输出电流和蓄电池的电压、电流，能够将输出电压一直控制在一个稳定水平，并且在***出现输入欠压、输出过压、输出短路等故障时，报警并断路保护，提高了所述电源***工作的稳定性；（2）所述电源控制***能够按照设定好的控制策略控制驱动所述进气阀和排气阀，使所述电源***的燃料供给和尾气排放可靠稳定；（3）所述电源控制***通过监测所述电源***的温度，控制所述燃料电池堆的散热风机，使燃料电池堆的温度一直维持在一个较低的水平；（4）所述电源控制***能够按照设定好的控制策略控制氢气循环泵和工作风机，在可靠提供所述电源***所需的氧化剂的同时，间接实现了对所述电源***湿度的控制；（5）所述电源控制***能够实时检测氢气罐内气体压力的变化，在压力不足时提醒更换氢气罐，使所述电源***能够稳定持续的提供电能。 
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明中电源***控制器的结构框图；
其中1、减压阀 2、进气阀 3、信号采集电路 4、氢气循环泵 5、汽水分离器 6、排气阀 7、散热风机 8、工作风机、 9、输出控制电路 10、输入控制电路 11、D/A变换电路 12、A/D变换电路。
具体实施方式
如图1-2所示，一种便携式PEMFC燃料电池电源***，所述电源***包括储氢罐、减压阀1、进气阀2、PEMFC燃料电池堆、氢气循环泵4、汽水分离器5、排气阀6、蓄电池、功率调节器和电源***控制器，所述功率调节器的型号为：CKN150-12S24；所述进气阀2和排气阀6为电磁阀。
所述PEMFC燃料电池堆包括由多个燃料单电池串联组成的PEMFC燃料电池反应堆、散热风机7、能够采集PEMFC燃料电池反应堆电流、电压和温度的信号采集电路3和工作风机8。所述储氢罐通过管路依次经减压阀1、进气阀2接所述PEMFC燃料电池反应堆的氢气进气口。所述PEMFC燃料电池反应堆的出气口通过管路经氢气循环泵4与所述汽水分离器5连接。所述汽水分离器5的氢气出气口通过管路与所述PEMFC燃料电池反应堆的氢气进气口连接，所述汽水分离器5的排气口通过管路与所述排气阀6连接。所述散热风机7与所述PEMFC燃料电池反应堆的散热风进气口连接，所述工作风机8与所述PEMFC燃料电池反应堆的氧化剂进气口连接。所述信号采集电路3的输出端一路与所述电源***控制器的输入端连接，所述信号采集电路3的输出端另一路与所述功率调节器的输入端连接。所述电源***控制器的输出端与所述进气阀2、散热风机7、工作风机8、氢气循环泵4和排气阀6的控制端连接，所述电源***控制器与所述功率调节器双向连接，所述蓄电池与所述功率调节器双向连接。
所述电源***控制器包括单片机最小***，能够控制指示灯、蜂鸣器、进气阀2、排气阀6、***上电、负载开关的输出控制电路9，能够接收开机按钮信号和关机按钮信号的输入控制电路10，能够控制散热风机7、工作风机8、氢气循环泵4和DC/DC变换的D/A变换电路11，能够接收燃料电池电流、燃料电池电压、燃料电池温度、蓄电池电流、直流母线电压、环境温度和燃料电池单片电压的A/D变换电路12，EEPROM，RS232接口电路和JTAG接口电路。所述单片机最小***包括电源电路、时钟电路和MCU，MCU的型号为：ATMAGE16。所述输出控制电路9和所述D/A变换电路11与所述MCU的输出端连接，所述输入控制电路10和所述A/D变换电路12的输入端连接，所述EEPROM、RS232接口电路和JTAG接口电路与所述MUC双向连接。所述信号采集电路包括电流传感器、电压传感器和温度传感器。所述电源***控制器也可以使用其它的电源***控制器，只要能够实现必要的功能即可。
所述电源***从各热源的热交换结构设计和燃料电池堆温度闭环控制两方面来控制燃料电池堆内部的工作温度。燃料电池堆温度闭环控制采用模糊增量PID控制器实现，将所述电源***的温度一直控制在50-80°C之间，使得氢气和空气中的氧气能够充分反应，增加了发电效率，提高了所述电源***的稳定性。
所述电源***采用氢气循环的方式来实现燃料电池反应堆中氢气加湿。电源***工作时，所述电源控制***根据不同的工作情况，通过调节工作风机8、循环泵4、散热风机7使所述电源***向偏湿或偏干的方向运行，间接控制燃料电池堆内部的湿度，使得所述电源***内的湿度适当，输出电压稳定。
所述电源***通过自制减压阀1，来实现氢气供给***压力的稳定，空气压力采用常压供给，空气流速通过调节工作风机8的端电压来实现，使得所述燃料电池反应堆中的氢气和空气的体积比、流速以及压力维持在一定合理的范围内，提高了氢气和空气中的氧化剂的反应程度，提高了所述电源***的发电效率。
对于尾气和水蒸气的排放，所述电源***采取定瓦时间歇控制排气阀6的方式来实现，降低了水蒸气及尾气对所述燃料电池反应堆内部湿度的影响，提高了发电效率以及所述电源***的工作稳定性。
在能量管理的过程中，通过检测所述电源***和所述蓄电池的直流电压的大小来有效的完成所述燃料电池堆和所述蓄电池的能量管理和控制。如果所述电源***的直流电压超过蓄电池的电压参考值，则可能***无负载或***负载比较小，同时蓄电池处于高荷电状态，这时所述电源***进入蓄电池限压模式（BVL）。在这种模式中，所述电源***的输出电流和蓄电池的充电电流均应小于其限定电流。如果所述电源***的直流电压低于蓄电池的参考电压，则可能对应的负载较大或负载较小，同时蓄电池处于低荷电状态，这时，所述电源***根据负载情况确定进入燃料电池恒流模式（FCCL）或蓄电池恒流模式（BCL）。如果负载功率低于所述燃料电池堆的最大输出功率，这时应调整蓄电池的充电电流以保护蓄电池。如果负载比较大，所述电源***的电流将增大到其极限值，进入燃料电池堆恒流模式（FCCL)。在这种情况下，蓄电池不充电或充电电流很小。如果所述蓄电池的直流电压低于预设的蓄电池的最低电压值，则切断负载，保护蓄电池，防止蓄电池过量放电。
所述电源***具有以下优点：（1）所述电源***中的电源***控制器和功率调节器组成电源控制***。所述电源控制***能够实时监测所述电源***的输出电压、输出电流和蓄电池的电压、电流，能够将输出电压一直控制在一个稳定水平，并且在***出现输入欠压、输出过压、输出短路等故障时，报警并断路保护，提高了所述电源***工作的稳定性。（2）所述电源控制***能够按照设定好的控制策略控制驱动所述进气阀和排气阀，使所述电源***的燃料供给和尾气排放可靠稳定；（3）所述电源控制***通过监测所述电源***的温度，控制所述燃料电池堆的散热风机，使燃料电池堆的温度一直维持在一个较低的水平；（4）所述电源控制***能够按照设定好的控制策略控制氢气循环泵和工作风机，在可靠提供所述电源***所需的氧化剂的同时，间接实现了对所述电源***湿度的控制；（5）所述电源控制***能够实时检测氢气罐内气体压力的变化，在压力不足时提醒更换氢气罐，使所述电源***能够稳定持续的提供电能。综合以上几点，所述电源***具有输出电压稳定、工作稳定性强的特点。

Claims (8)

1.一种便携式PEMFC燃料电池电源***，其特征在于所述电源***包括储氢罐、进气阀（2）、PEMFC燃料电池堆、氢气循环泵（4）、汽水分离器（5）、排气阀（6）、功率调节器和电源***控制器，所述PEMFC燃料电池堆包括由多个燃料单电池串联组成的PEMFC燃料电池反应堆、散热风机（7）、能够采集PEMFC燃料电池反应堆电流、电压和温度的信号采集电路（3）和工作风机（8），所述储氢罐通过管路经进气阀（2）接所述PEMFC燃料电池反应堆的氢气进气口，所述PEMFC燃料电池反应堆的出气口通过管路经氢气循环泵（4）与所述汽水分离器（5）连接，所述汽水分离器（5）的氢气出气口通过管路与所述PEMFC燃料电池反应堆的氢气进气口连接，所述汽水分离器（5）的排气口通过管路与所述排气阀（6）连接；所述散热风机（7）与所述PEMFC燃料电池反应堆的散热风进气口连接，所述工作风机（8）与所述PEMFC燃料电池反应堆的氧化剂进气口连接；所述信号采集电路（3）的输出端一路与所述电源***控制器的输入端连接，所述信号采集电路（3）的输出端另一路与所述功率调节器的输入端连接；所述电源***控制器的输出端与所述进气阀（2）、散热风机（7）、工作风机（8）、氢气循环泵（4）和排气阀（6）的控制端连接，所述电源***控制器与所述功率调节器双向连接。
2.根据权利要求1所述的一种便携式PEMFC燃料电池电源***，其特征在于所述电源***还包括减压阀（1），所述减压阀（1）固定连接在所述储氢罐和所述进气阀（2）之间的管路上。
3.根据权利要求1或2所述的一种便携式PEMFC燃料电池电源***，其特征在于所述电源***还包括蓄电池，所述蓄电池与所述功率调节器双向连接。
4.根据权利要求1所述的一种便携式PEMFC燃料电池电源***，其特征在于所述电源***控制器包括单片机最小***，能够控制指示灯、蜂鸣器、进气阀（2）、排气阀（6）、***上电、负载开关的输出控制电路（9），能够接收开机按钮信号和关机按钮信号的输入控制电路（10），能够控制散热风机（7）、工作风机（8）、氢气循环泵（4）和DC/DC变换的D/A变换电路（11），能够接收燃料电池电流、燃料电池电压、燃料电池温度、蓄电池电流、直流母线电压、环境温度和燃料电池单片电压的A/D变换电路(12)，EEPROM，RS232接口电路和JTAG接口电路；所述单片机最小***包括电源电路、时钟电路和MCU，所述输出控制电路（9）和所述D/A变换电路（11）与所述MCU的输出端连接，所述输入控制电路（10）和所述A/D变换电路（12）的输入端连接，所述EEPROM、RS232接口电路和JTAG接口电路与所述MUC双向连接。
5.根据权利要求4所述的一种便携式PEMFC燃料电池电源***，其特征在于所述MCU的型号为：ATMAGE16。
6.根据权利要求1所述的一种便携式PEMFC燃料电池电源***，其特征在于所述信号采集电路（3）包括电流传感器、电压传感器和温度传感器。
7.根据权利要求1所述的一种便携式PEMFC燃料电池电源***，其特征在于所述功率调节器的型号为：CKN150-12S24。
8.根据权利要求1所述的一种便携式PEMFC燃料电池电源***，其特征在于所述进气阀（2）和排气阀（6）为电磁阀。
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