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      一種便攜式pemfc燃料電池電源系統(tǒng)的制作方法

      文檔序號(hào):7151469閱讀:134來(lái)源:國(guó)知局
      專利名稱:一種便攜式pemfc燃料電池電源系統(tǒng)的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本實(shí)用新型涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種PEMFC燃料電池電源系統(tǒng)。
      背景技術(shù)
      燃料電池是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的發(fā)電裝置,是將存儲(chǔ)的燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置,具有 能量轉(zhuǎn)換效率高,噪音低、污染小、不受卡諾循環(huán)限制的特點(diǎn)。在各種燃料電池中,質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)以氫氣為燃料,以氧氣或空氣作為氧化劑,產(chǎn)物僅僅是水,不污染環(huán)境,噪聲小,功率密度高,啟動(dòng)時(shí)間短,具有廣闊的發(fā)展前景。但是現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜燃料電池具有輸出電壓不穩(wěn)定、工作不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。

      實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng),具有輸出電壓穩(wěn)定、工作穩(wěn)定的特點(diǎn)。為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng),其特征在于所述電源系統(tǒng)包括儲(chǔ)氫罐、進(jìn)氣閥、PEMFC燃料電池堆、氫氣循環(huán)泵、汽水分離器、排氣閥、功率調(diào)節(jié)器和電源系統(tǒng)控制器,所述PEMFC燃料電池堆包括由多個(gè)燃料單電池串聯(lián)組成的PEMFC燃料電池反應(yīng)堆、散熱風(fēng)機(jī)、能夠采集PEMFC燃料電池反應(yīng)堆電流、電壓和溫度的信號(hào)采集電路和工作風(fēng)機(jī),所述儲(chǔ)氫罐通過(guò)管路經(jīng)進(jìn)氣閥接所述PEMFC燃料電池反應(yīng)堆的氫氣進(jìn)氣口,所述PEMFC燃料電池反應(yīng)堆的出氣口通過(guò)管路經(jīng)氫氣循環(huán)泵與所述汽水分離器連接,所述汽水分離器的氫氣出氣口通過(guò)管路與所述PEMFC燃料電池反應(yīng)堆的氫氣進(jìn)氣口連接,所述汽水分離器的排氣口通過(guò)管路與所述排氣閥連接;所述散熱風(fēng)機(jī)與所述PEMFC燃料電池反應(yīng)堆的散熱風(fēng)進(jìn)氣口連接,所述工作風(fēng)機(jī)與所述PEMFC燃料電池反應(yīng)堆的氧化劑進(jìn)氣口連接;所述信號(hào)采集電路的輸出端一路與所述電源系統(tǒng)控制器的輸入端連接,所述信號(hào)采集電路的輸出端另一路與所述功率調(diào)節(jié)器的輸入端連接;所述電源系統(tǒng)控制器的輸出端與所述進(jìn)氣閥、散熱風(fēng)機(jī)、工作風(fēng)機(jī)、氫氣循環(huán)泵和排氣閥的控制端連接,所述電源系統(tǒng)控制器與所述功率調(diào)節(jié)器雙向連接。所述電源系統(tǒng)還包括減壓閥,所述減壓閥固定連接在所述儲(chǔ)氫罐和所述進(jìn)氣閥之間的管路上。所述電源系統(tǒng)還包括蓄電池,所述蓄電池與所述功率調(diào)節(jié)器雙向連接。所述電源系統(tǒng)控制器包括單片機(jī)最小系統(tǒng),能夠控制指示燈、蜂鳴器、進(jìn)氣閥、排氣閥、系統(tǒng)上電、負(fù)載開(kāi)關(guān)的輸出控制電路,能夠接收開(kāi)機(jī)按鈕信號(hào)和關(guān)機(jī)按鈕信號(hào)的輸入控制電路,能夠控制散熱風(fēng)機(jī)、工作風(fēng)機(jī)、氫氣循環(huán)泵和DC/DC變換的D/A變換電路,能夠接收燃料電池電流、燃料電池電壓、燃料電池溫度、蓄電池電流、直流母線電壓、環(huán)境溫度和燃料電池單片電壓的A/D變換電路,EEPROM,RS232接口電路和JTAG接口電路;所述單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源電路、時(shí)鐘電路和MCU,所述輸出控制電路和所述D/A變換電路與所述MCU的輸出端連接,所述輸入控制電路和所述A/D變換電路的輸入端連接,所述EEPROM、RS232接口電路和JTAG接口電路與所述MUC雙向連接。所述MCU 的型號(hào)為ATMAGE16。所述信號(hào)采集電路包括電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器。所述功率調(diào)節(jié)器的型號(hào)為CKN150_12S24。所述進(jìn)氣閥和排氣閥為電磁閥。本實(shí)用新型的有益效果如下(I)所述電源系統(tǒng)中的電源系統(tǒng)控制器和功率調(diào)節(jié)器組成電源控制系統(tǒng)。所述電源控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)所述電源系統(tǒng)的輸出電壓、輸出電流和蓄電池的電壓、電流,能夠?qū)⑤敵鲭妷阂恢笨?制在一個(gè)穩(wěn)定水平,并且在系統(tǒng)出現(xiàn)輸入欠壓、輸出過(guò)壓、輸出短路等故障時(shí),報(bào)警并斷路保護(hù),提高了所述電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性;(2)所述電源控制系統(tǒng)能夠按照設(shè)定好的控制策略控制驅(qū)動(dòng)所述進(jìn)氣閥和排氣閥,使所述電源系統(tǒng)的燃料供給和尾氣排放可靠穩(wěn)定;(3)所述電源控制系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)所述電源系統(tǒng)的溫度,控制所述燃料電池堆的散熱風(fēng)機(jī),使燃料電池堆的溫度一直維持在一個(gè)較低的水平;(4)所述電源控制系統(tǒng)能夠按照設(shè)定好的控制策略控制氫氣循環(huán)泵和工作風(fēng)機(jī),在可靠提供所述電源系統(tǒng)所需的氧化劑的同時(shí),間接實(shí)現(xiàn)了對(duì)所述電源系統(tǒng)濕度的控制;(5)所述電源控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)氫氣罐內(nèi)氣體壓力的變化,在壓力不足時(shí)提醒更換氫氣罐,使所述電源系統(tǒng)能夠穩(wěn)定持續(xù)的提供電能。
      以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
      對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。圖I是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖;圖2是本實(shí)用新型中電源系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)框圖;其中I、減壓閥2、進(jìn)氣閥3、信號(hào)采集電路4、氫氣循環(huán)泵5、汽水分離器6、排氣閥7、散熱風(fēng)機(jī)8、工作風(fēng)機(jī)、9、輸出控制電路10、輸入控制電路11、D/A變換電路12、A/D變換電路。
      具體實(shí)施方式


      圖1-2所示,一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng),所述電源系統(tǒng)包括儲(chǔ)氫罐、減壓閥I、進(jìn)氣閥2、PEMFC燃料電池堆、氫氣循環(huán)泵4、汽水分離器5、排氣閥6、蓄電池、功率調(diào)節(jié)器和電源系統(tǒng)控制器,所述功率調(diào)節(jié)器的型號(hào)為CKN150-12S24 ;所述進(jìn)氣閥2和排氣閥6為電磁閥。所述PEMFC燃料電池堆包括由多個(gè)燃料單電池串聯(lián)組成的PEMFC燃料電池反應(yīng)堆、散熱風(fēng)機(jī)7、能夠采集PEMFC燃料電池反應(yīng)堆電流、電壓和溫度的信號(hào)采集電路3和工作風(fēng)機(jī)8。所述儲(chǔ)氫罐通過(guò)管路依次經(jīng)減壓閥I、進(jìn)氣閥2接所述PEMFC燃料電池反應(yīng)堆的氫氣進(jìn)氣口。所述PEMFC燃料電池反應(yīng)堆的出氣口通過(guò)管路經(jīng)氫氣循環(huán)泵4與所述汽水分離器5連接。所述汽水分離器5的氫氣出氣口通過(guò)管路與所述PEMFC燃料電池反應(yīng)堆的氫氣進(jìn)氣口連接,所述汽水分離器5的排氣口通過(guò)管路與所述排氣閥6連接。所述散熱風(fēng)機(jī)7與所述PEMFC燃料電池反應(yīng)堆的散熱風(fēng)進(jìn)氣口連接,所述工作風(fēng)機(jī)8與所述PEMFC燃料電池反應(yīng)堆的氧化劑進(jìn)氣口連接。所述信號(hào)采集電路3的輸出端一路與所述電源系統(tǒng)控制器的輸入端連接,所述信號(hào)采集電路3的輸出端另一路與所述功率調(diào)節(jié)器的輸入端連接。所述電源系統(tǒng)控制器的輸出端與所述進(jìn)氣閥2、散熱風(fēng)機(jī)7、工作風(fēng)機(jī)8、氫氣循環(huán)泵4和排氣閥6的控制端連接,所述電源系統(tǒng)控制器與所述功率調(diào)節(jié)器雙向連接,所述蓄電池與所述功率調(diào)節(jié)器雙向連接。所述電源系統(tǒng)控制器包括單片機(jī)最小系統(tǒng),能夠控制指示燈、蜂鳴器、進(jìn)氣閥2、排氣閥6、系統(tǒng)上電、負(fù)載開(kāi)關(guān)的輸出控制電路9,能夠接收開(kāi)機(jī)按鈕信號(hào)和關(guān)機(jī)按鈕信號(hào)的輸入控制電路10,能夠控制散熱風(fēng)機(jī)7、工作風(fēng)機(jī)8、氫氣循環(huán)泵4和DC/DC變換的D/A變換電路11,能夠接收燃料電池電流、燃料電池電壓、燃料電池溫度、蓄電池電流、直流母線電壓、環(huán)境溫度和燃料電池單片電壓的A/D變換電路12,EEPR0M,RS232接口電路和JTAG接口電路。所述單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源 電路、時(shí)鐘電路和MCU,MCU的型號(hào)為ATMAGE16。所述輸出控制電路9和所述D/A變換電路11與所述MCU的輸出端連接,所述輸入控制電路10和所述A/D變換電路12的輸入端連接,所述EEPROM、RS232接口電路和JTAG接口電路與所述MUC雙向連接。所述信號(hào)采集電路包括電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器。所述電源系統(tǒng)控制器也可以使用其它的電源系統(tǒng)控制器,只要能夠?qū)崿F(xiàn)必要的功能即可。所述電源系統(tǒng)從各熱源的熱交換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和燃料電池堆溫度閉環(huán)控制兩方面來(lái)控制燃料電池堆內(nèi)部的工作溫度。燃料電池堆溫度閉環(huán)控制采用模糊增量PID控制器實(shí)現(xiàn),將所述電源系統(tǒng)的溫度一直控制在50-80° C之間,使得氫氣和空氣中的氧氣能夠充分反應(yīng),增加了發(fā)電效率,提高了所述電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所述電源系統(tǒng)采用氫氣循環(huán)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)燃料電池反應(yīng)堆中氫氣加濕。電源系統(tǒng)工作時(shí),所述電源控制系統(tǒng)根據(jù)不同的工作情況,通過(guò)調(diào)節(jié)工作風(fēng)機(jī)8、循環(huán)泵4、散熱風(fēng)機(jī)7使所述電源系統(tǒng)向偏濕或偏干的方向運(yùn)行,間接控制燃料電池堆內(nèi)部的濕度,使得所述電源系統(tǒng)內(nèi)的濕度適當(dāng),輸出電壓穩(wěn)定。所述電源系統(tǒng)通過(guò)自制減壓閥I,來(lái)實(shí)現(xiàn)氫氣供給系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定,空氣壓力采用常壓供給,空氣流速通過(guò)調(diào)節(jié)工作風(fēng)機(jī)8的端電壓來(lái)實(shí)現(xiàn),使得所述燃料電池反應(yīng)堆中的氫氣和空氣的體積比、流速以及壓力維持在一定合理的范圍內(nèi),提高了氫氣和空氣中的氧化劑的反應(yīng)程度,提高了所述電源系統(tǒng)的發(fā)電效率。對(duì)于尾氣和水蒸氣的排放,所述電源系統(tǒng)米取定瓦時(shí)間歇控制排氣閥6的方式來(lái)實(shí)現(xiàn),降低了水蒸氣及尾氣對(duì)所述燃料電池反應(yīng)堆內(nèi)部濕度的影響,提高了發(fā)電效率以及所述電源系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。在能量管理的過(guò)程中,通過(guò)檢測(cè)所述電源系統(tǒng)和所述蓄電池的直流電壓的大小來(lái)有效的完成所述燃料電池堆和所述蓄電池的能量管理和控制。如果所述電源系統(tǒng)的直流電壓超過(guò)蓄電池的電壓參考值,則可能系統(tǒng)無(wú)負(fù)載或系統(tǒng)負(fù)載比較小,同時(shí)蓄電池處于高荷電狀態(tài),這時(shí)所述電源系統(tǒng)進(jìn)入蓄電池限壓模式(BVL)。在這種模式中,所述電源系統(tǒng)的輸出電流和蓄電池的充電電流均應(yīng)小于其限定電流。如果所述電源系統(tǒng)的直流電壓低于蓄電池的參考電壓,則可能對(duì)應(yīng)的負(fù)載較大或負(fù)載較小,同時(shí)蓄電池處于低荷電狀態(tài),這時(shí),所述電源系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載情況確定進(jìn)入燃料電池恒流模式(FCCL)或蓄電池恒流模式(BCL)。如果負(fù)載功率低于所述燃料電池堆的最大輸出功率,這時(shí)應(yīng)調(diào)整蓄電池的充電電流以保護(hù)蓄電池。如果負(fù)載比較大,所述電源系統(tǒng)的電流將增大到其極限值,進(jìn)入燃料電池堆恒流模式(FCCL)。在這種情況下,蓄電池不充電或充電電流很小。如果所述蓄電池的直流電壓低于預(yù)設(shè)的蓄電池的最低電壓值,則切斷負(fù)載,保護(hù)蓄電池,防止蓄電池過(guò)量放電。[0025]所述電源系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)所述電源系統(tǒng)中的電源系統(tǒng)控制器和功率調(diào)節(jié)器組成電源控制系統(tǒng)。所述電源控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)所述電源系統(tǒng)的輸出電壓、輸出電流和蓄電池的電壓、電流,能夠?qū)⑤敵鲭妷阂恢笨刂圃谝粋€(gè)穩(wěn)定水平,并且在系統(tǒng)出現(xiàn)輸入欠壓、輸出過(guò)壓、輸出短路等故障時(shí),報(bào)警并斷路保護(hù),提高了所述電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。
      (2)所述電源控制系統(tǒng)能夠按照設(shè)定好的控制策略控制驅(qū)動(dòng)所述進(jìn)氣閥和排氣閥,使所述電源系統(tǒng)的燃料供給和尾氣排放可靠穩(wěn)定;(3)所述電源控制系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)所述電源系統(tǒng)的溫度,控制所述燃料電池堆的散熱風(fēng)機(jī),使燃料電池堆的溫度一直維持在一個(gè)較低的水平;(4)所述電源控制系統(tǒng)能夠按照設(shè)定好的控制策略控制氫氣循環(huán)泵和工作風(fēng)機(jī),在可靠提供所述電源系統(tǒng)所需 的氧化劑的同時(shí),間接實(shí)現(xiàn)了對(duì)所述電源系統(tǒng)濕度的控制;(5)所述電源控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)氫氣罐內(nèi)氣體壓力的變化,在壓力不足時(shí)提醒更換氫氣罐,使所述電源系統(tǒng)能夠穩(wěn)定持續(xù)的提供電能。綜合以上幾點(diǎn),所述電源系統(tǒng)具有輸出電壓穩(wěn)定、工作穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。
      權(quán)利要求1.一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng),其特征在于所述電源系統(tǒng)包括儲(chǔ)氫罐、進(jìn)氣閥(2)、PEMFC燃料電池堆、氫氣循環(huán)泵(4)、汽水分離器(5)、排氣閥(6)、功率調(diào)節(jié)器和電源系統(tǒng)控制器,所述PEMFC燃料電池堆包括由多個(gè)燃料單電池串聯(lián)組成的PEMFC燃料電池反應(yīng)堆、散熱風(fēng)機(jī)(7)、能夠采集PEMFC燃料電池反應(yīng)堆電流、電壓和溫度的信號(hào)采集電路(3)和工作風(fēng)機(jī)(8 ),所述儲(chǔ)氫罐通過(guò)管路經(jīng)進(jìn)氣閥(2 )接所述PEMFC燃料電池反應(yīng)堆的氫氣進(jìn)氣ロ,所述PEMFC燃料電池反應(yīng)堆的出氣ロ通過(guò)管路經(jīng)氫氣循環(huán)泵(4)與所述汽水分離器(5)連接,所述汽水分離器(5)的氫氣出氣ロ通過(guò)管路與所述PEMFC燃料電池反應(yīng)堆的氫氣進(jìn)氣ロ連接,所述汽水分離器(5 )的排氣ロ通過(guò)管路與所述排氣閥(6 )連接;所述散熱風(fēng)機(jī)(7)與所述PEMFC燃料電池反應(yīng)堆的散熱風(fēng)進(jìn)氣ロ連接,所述工作風(fēng)機(jī)(8)與所述PEMFC燃料電池反應(yīng)堆的氧化劑進(jìn)氣ロ連接;所述信號(hào)采集電路(3)的輸出端一路與所述電源系統(tǒng)控制器的輸入端連接,所述信號(hào)采集電路(3)的輸出端另一路與所述功率調(diào)節(jié)器的輸入端連接;所述電源系統(tǒng)控制器的輸出端與所述進(jìn)氣閥(2)、散熱風(fēng)機(jī)(7)、工作風(fēng)機(jī)(8)、氫氣循環(huán)泵(4 )和排氣閥(6 )的控制端連接,所述電源系統(tǒng)控制器與所述功率調(diào)節(jié)器雙向連接。
      2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng),其特征在于所述電源系統(tǒng)還包括減壓閥(I),所述減壓閥(I)固定連接在所述儲(chǔ)氫罐和所述進(jìn)氣閥(2 )之間的管路上。
      3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的ー種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng),其特征在于所述電源系統(tǒng)還包括蓄電池,所述蓄電池與所述功率調(diào)節(jié)器雙向連接。
      4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng),其特征在于所述電源系統(tǒng)控制器包括單片機(jī)最小系統(tǒng),能夠控制指示燈、蜂鳴器、進(jìn)氣閥(2)、排氣閥(6)、系統(tǒng)上電、負(fù)載開(kāi)關(guān)的輸出控制電路(9),能夠接收開(kāi)機(jī)按鈕信號(hào)和關(guān)機(jī)按鈕信號(hào)的輸入控制電路(10),能夠控制散熱風(fēng)機(jī)(7)、工作風(fēng)機(jī)(8)、氫氣循環(huán)泵(4)和DC/DC變換的D/A變換電路(11),能夠接收燃料電池電流、燃料電池電壓、燃料電池溫度、蓄電池電流、直流母線電壓、環(huán)境溫度和燃料電池單片電壓的A/D變換電路(12),EEPROM, RS232接ロ電路和JTAG接ロ電路;所述單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源電路、時(shí)鐘電路和MCU,所述輸出控制電路(9)和所述D/A變換電路(11)與所述MCU的輸出端連接,所述輸入控制電路(10)和所述A/D變換電路(12)的輸入端連接,所述EEPROM、RS232接ロ電路和JTAG接ロ電路與所述MUC雙向連接。
      5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng),其特征在于所述MCU的型號(hào)為ATMAGE16。
      6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng),其特征在于所述信號(hào)采集電路(3 )包括電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器。
      7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng),其特征在于所述功率調(diào)節(jié)器的型號(hào)為CKN150-12S24。
      8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng),其特征在于所述進(jìn)氣閥(2 )和排氣閥(6 )為電磁閥。
      專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng),屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。所述電源系統(tǒng)包括儲(chǔ)氫罐、減壓閥、進(jìn)氣閥、PEMFC燃料電池堆、氫氣循環(huán)泵、汽水分離器、排氣閥、蓄電池、功率調(diào)節(jié)器和電源系統(tǒng)控制器。所述電源系統(tǒng)通過(guò)電源控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)所述電源系統(tǒng)的輸出電壓、輸出電流和蓄電池的電壓、電流,能夠?qū)⑤敵鲭妷阂恢笨刂圃谝粋€(gè)穩(wěn)定水平,并且在所述電源系統(tǒng)出現(xiàn)輸入欠壓、輸出過(guò)壓、輸出短路等故障時(shí),報(bào)警并斷路保護(hù),提高了所述電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性,具有廣泛的應(yīng)用前景。
      文檔編號(hào)H01M8/04GK202444020SQ20122002982
      公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月30日
      發(fā)明者呂艷梅, 王勝開(kāi), 閻群, 陳國(guó)順 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍63908部隊(duì)
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