CN100468076C - 具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统，该系统由以下六个子系统组成：(1)氢气供应子系统，(2)空气供应子系统，(3)冷却散热子系统，(4)控制子系统，(5)燃料电池堆电能输出子系统，(6)燃料电池堆测试与装配架子系统；所述的氢气供应子系统还包括二级低压减压阀、氢气手动排放截止阀，所述的燃料电池堆电能输出子系统还包括燃料电池自身供电系统，该自身供电系统包括蓄电池、调压模块、第一电机控制器、第二电机控制器，所述的燃料电池堆测试与装配架子系统包括工作台、压力可调压紧装置、定位导杆；与现有技术相比，本发明具有结构简单、成本较低、性能可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)可用作一切车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、固定式的发电装置。质子交换膜燃料电池在用作车、船动力系统或移动式/固定式发电站时，一般用氢气为燃料，空气为氧化剂，并且根据用途的不同要求输出的净功率不等，一般净功率输出要求从几千瓦到几百千瓦。
燃料电池发电系统一般由以下几个部分组成：(1)燃料电池堆；(2)燃料氢气供应子系统；(3)空气供应子系统；(4)循环冷却散热子系统；(5)自动控制及电能输出子系统。整个燃料电池发电系统除了燃料电池堆以外的其他部分也可以统称为燃料电池运行支持系统。
为了保证燃料电池堆的持续性、安全可靠性运行并向外输出所需的有效功率，必须给燃料电池提供足够的空气，氢气及循环冷却水(冬天采用防冻液)，因此提供空气的鼓风机或压缩机、给循环冷却水(防冻液)提供动力的水泵、散热器风扇以及电磁阀和其他控制及监控部件等燃料电池堆运行支持系统自身也必须消耗一定的功率。其中最主要的功率消耗部件是鼓风机(或压缩机)、水泵及散热器。电磁阀和其他的控制及监控部件的消耗功率只是很小的一部分。
采用鼓风机供空气的燃料电池系统在系统额定净功率输出时其运行支持系统自身所消耗的总功率大约是电堆输出总功率的10％，且鼓风机及水泵都可以采用缓起动，所需的起动功率很小，因此完全可以实现自起动。而采用空气压缩机供空气的燃料电池系统在系统额定净功率输出时其运行支持系统自身所消耗的总功率大约占电堆输出总功率的20％左右，且空气压缩机起动所需的功率很大，因此实现自起动的难度相对增加。
目前多数质子交换膜燃料电池发电系统在开始起动时必须要有外部电源供电，这种外部电源，可以是蓄电池，或是从电网上取电。帮助燃料电池发电系统起动一直到稳定的工作状态，等到燃料电池发电系统处于稳定的工作状态后，再切换至燃料电池自身供电。燃料电池发电系统作为车、船动力系统或移动式发电站应用时，上述二种外部电源有不可克服的技术缺陷：
1.从电网上取电：对车用燃料电池动力系统、船用燃料电池动力系统根本就不可行，对于固定式或移动式燃料电池发电系统也非常不便，当电网停电时就根本不能起动。
2.采用蓄电池起动：采用蓄电池起动时就必然要在系统内加装多组供电蓄电池，增加了系统的复杂性。对于几十千瓦至几百千瓦的燃料电池发电系统，与其相匹配的起动蓄电池用量也非常巨大，增大了系统的成本，并且系统重量增加巨大，对于车用燃料电池动力系统和船用燃料电池动力系统而言，蓄电池占住了大量的空间，增加了装配难度，且重量的增加降低了燃料的经济性。
上海神力科技公司专利“一种带自起动装置的燃料电池发电系统”(专利号：03209953.3)提供了一种方法，这种带自起动装置的燃料电池发电系统，包括燃料电池堆、燃料氢气供应子系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制及电能输出子系统以及自起动装置。该技术只需要携带一至二节功率、体积、重量非常小的蓄电池就可以实现燃料电池发电系统的自起动。其示意图如图1所示。图1中，4.高压氢气罐、2.空气输送泵、1.燃料电池堆、8.氢气供应电磁阀、31.空气供气电磁阀、12.氢气水汽分离器、32.空气水汽分离器、33.空气排出节流阀、41.氢气循环泵、15.冷却水(液)箱、16.冷却水(液)循环泵、17.散热器、51.电堆输出负载、30.空气减压阀、7.氢气减压阀。但该技术也有以下技术缺陷：
额外地增加了一些自起动装置，例如小型空气泵、空气泵电磁阀。这些器件不但导致整个燃料电池发电系统的复杂性，使得价格增高，而且当燃料电池发电系统作为车、船动力系统应用时，占据了车、船上宝贵的有效空间，降低了车、船的动力效率。
另外，现有的燃料电池测试站在起动与运转时都需要外电源供电，包括其电磁阀、水泵等都必须外接电源，这样就使测试站耗电量上升；而且，若燃料电池测试站附近没有外接电源时，该测试站则无法工作。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、成本较低、性能可靠的具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统，该系统由以下六个子系统组成：(1)氢气供应子系统，(2)空气供应子系统，(3)冷却散热子系统，(4)控制子系统，(5)燃料电池堆电能输出子系统，(6)燃料电池堆测试与装配架子系统；所述的氢气供应子系统包括高压储氢罐、氢罐手动截止阀、充氢阀、一级高压减压阀、供氢电磁阀、氢气增湿器、氢气汽水分离器、氢气定时排放电磁阀及连接管道，所述的空气供应子系统包括高压鼓风机、空气增湿器及连接管道，所述的冷却散热子系统包括冷却水储箱、冷却水循环泵、冷却水散热器、冷却水储箱排水阀及连接管道，所述的控制子系统包括中央控制器，该中央控制器集中控制供氢电磁阀、氢气定时排放电磁阀、高压鼓风机、冷却水循环泵的开启与关停，并由该中央控制器控制正常运行下的高压鼓风机及冷却水循环泵电机的转速以及氢气定时排放电磁阀的排放频率，所述的燃料电池堆电能输出子系统包括燃料电池堆、燃料电池外接负载系统，该外接负载系统包括接触器和外接负载；其特征在于，所述的氢气供应子系统还包括二级低压减压阀、氢气手动排放截止阀，所述的燃料电池堆电能输出子系统还包括燃料电池自身供电系统，该自身供电系统包括蓄电池、调压模块、第一电机控制器、第二电机控制器，所述的第一电机控制器控制起动及运行状态下的高压鼓风机，所述的第二电机控制器控制起动及运行状态下的冷却水循环泵，所述的燃料电池堆测试与装配架子系统包括工作台、压力可调压紧装置、定位导杆。
所述的冷却水散热器带有散热风扇。
还包括第一接触器、第二接触器、第三接触器，所述的中央控制器通过控制第一接触器而控制供氢电磁阀的开启与关闭，通过控制第二接触器而控制氢气定时排放电磁阀的开启频率与排放时间，通过控制第三接触器而控制散热风扇的开启与关闭。
所述的中央控制器通过第一电机控制器、第二电机控制器对高压鼓风机、冷却水循环泵的开启与关停及电机转速进行控制。
所述的二级低压减压阀设在供氢电磁阀与氢气增湿器之间。
所述的氢气手动排放截止阀设在燃料电池堆氢气出口管道上，并与氢气汽水分离器并联。
所述的调压模块一端与燃料电池堆正负极相连，另一端与蓄电池相连。
所述的调压模块双向DC/DC调压模块。
所述的蓄电池为24V蓄电池。
所述的工作台设有板式台面，用于支承压力可调压紧装置和需装配与测试的燃料电池堆，所述的压力可调压紧装置设在台面的一端，所述的燃料电池堆设在台面的另一端，所述的定位导杆至少设有两根，该定位导杆沿轴向垂直穿设于燃料电池堆的前后端板上，所述的压力可调压紧装置设有顶杆，该顶杆推动燃料电池堆的后端板沿轴向向前端板方向做压紧动作。
与现有技术相比，本发明采用了一单组低压蓄电池并匹配燃料电池原有的一些部件即实现了系统的自起动，它省去了原来除了蓄电池以外还必须专门设置的起动装置，因此本发明具有结构简单、制造成本低、性能可靠的优点；此外，本发明具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统可以自己发电起动，自己运行，发出多余的电力还可以输出供给负载或其它用电器。
附图说明
图1为现有燃料电池发电系统的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明燃料电池堆测试与装配架子系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。
如图2所示，一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统，该系统由以下六个子系统组成：(1)氢气供应子系统，(2)空气供应子系统，(3)冷却散热子系统，(4)控制子系统，(5)燃料电池堆电能输出子系统，(6)燃料电池堆测试与装配架子系统。所述的氢气供应子系统包括高压储氢罐4、氢罐手动截止阀6、充氢阀5、一级高压减压阀7、供氢电磁阀8、二级低压减压阀9、氢气增湿器10、氢气汽水分离器11、氢气定时排放电磁阀12、氢气手动排放截止阀13及连接管道，所述的二级低压减压阀9设在供氢电磁阀8与氢气增湿器10之间，所述的氢气手动排放截止阀13设在燃料电池堆1氢气出口管道上，并与氢气汽水分离器11并联；所述的空气供应子系统包括高压鼓风机2、空气增湿器3及连接管道；所述的冷却散热子系统包括冷却水储箱14、冷却水循环泵15、冷却水散热器16、冷却水储箱排水阀17及连接管道，所述的冷却水散热器16带有散热风扇；所述的控制子系统包括中央控制器20，该中央控制器20集中控制供氢电磁阀8、氢气定时排放电磁阀12、高压鼓风机3、冷却水循环泵15的开启与关停，并由该中央控制器20控制正常运行下的高压鼓风机2及冷却水循环泵15电机的转速以及氢气定时排放电磁阀12的排放频率；所述的燃料电池堆电能输出子系统包括燃料电池外接负载系统、燃料电池自身供电系统，所述的外接负载系统包括接触器26和外接负载，所述的自身供电系统包括24V蓄电池19、双向DC/DC调压模块18、第一电机控制器21、第二电机控制器22，所述的双向DC/DC调压模块18一端与燃料电池堆1正负极相连，另一端与24V蓄电池19相连，所述的第一电机控制器21控制起动及运行状态下的高压鼓风机2，所述的第二电机控制器22控制起动及运行状态下的冷却水循环泵15。
所述的燃料电池发电系统还包括第一接触器23、第二接触器24、第三接触器25，所述的中央控制器20通过控制第一接触器23而控制供氢电磁阀8的开启与关闭，通过控制第二接触器24而控制氢气定时排放电磁阀12的开启频率与排放时间，通过控制第三接触器25而控制冷却水散热器16的散热风扇开启与关闭。
所述的中央控制器20通过第一电机控制器21、第二电机控制器22对高压鼓风机2、冷却水循环泵15的开启与关停及电机转速进行控制。
本实施例具体为一种具有自我支持与电力输出功能的5-10kw燃料电池测试系统，请参考图2，燃料电池堆由100个单电池组成，开路电压是100V左右，工作电压范围是100V～50V之间。所有电磁阀、散热风扇及控制电源都由双向DC/DC或24V蓄电池提供。双向DC/DC一端与燃料电池正负极相连，另一端与24V蓄电池相连。鼓风机电机控制器和水泵电机控制器直接和燃料电池正负极及双向DC/DC高压端正负极相连，鼓风机和水泵电机是一种与燃料电池输出电压相适应的直流无刷电机。所有电磁阀的开闭、鼓风机和水泵的起停及调速、散热风扇的起停都由中央控制器集中控制。在燃料电池未起动的时候，24V蓄电池可以通过双向DC/DC升压至鼓风机及水泵所需电压，燃料电池起动成功后，燃料电池电压通过双向DC/DC反向降压至24V给蓄电池进行浮充。
本实施例具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统自起动步骤：
具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统在停机达到一定时间后，由于燃料电池堆中与氢管路中的氢燃料都已消耗殆尽，整个系统没有向外界或向支持燃料电池发电系统的功率消耗器件供电的能力。所有电磁阀都处于常闭状态，表现在燃料电池堆1的开路电压为零。
打开高压氢气罐手动截止阀6，调节一级高压减压阀7至所需压力，接通蓄电池电源给中央控制器供电，中央控制器采用上电起动。调节二级低压减压阀9至电堆运行压力(也可以预先调定到电堆运行所需压力的位置)，中央控制器控制供氢电磁阀8和氢气定时排放电磁阀12的起动。双向DC/DC将24V蓄电池电压升至鼓风机及水泵启动所需电压，并由中央控制器指令起动鼓风机和水泵，燃料电池电极两侧充满氢气和空气，燃料电池建立电压，并通过双向DC/DC回供蓄电池及其他24V用电设备及控制部件。燃料电池起动成功。
具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统运行正常后，合上外接负载前端接触器，燃料电池开始给外接负载供电。
如图3所示，本实施例一种燃料电池堆测试与装配架子系统，该测试与装配架子系统包括工作台1a、压力可调压紧装置2a、定位导杆3a，所述的工作台设有板式台面11a，用于支承压力可调压紧装置2a和需装配与测试的燃料电池堆1，所述的压力可调压紧装置2a设在台面11a的一端，所述的燃料电池堆1设在台面11a的另一端，所述的定位导杆3a设有四根，该定位导杆3a沿轴向垂直穿设于燃料电池堆1的前后端板41a、42a上，其中，四根定位导杆3a分别设在需装配与测试的燃料电池堆1前后端板41a、42a的左右与底部，左右两根为定位导杆，底部两根为除了定位之外，还具有支撑燃料电池堆作用的表面光滑的导杆。所述的压力可调压紧装置2a设有顶杆21a，该顶杆21a推动燃料电池堆的后端板42a沿轴向向前端板41a方向做压紧动作。
所述的压力可调压紧装置2a包括活塞式气缸22a、气缸固定前端板221a、气缸固定后端板222a、顶杆21a、固定拉杆23a、连接套筒24a，所述的顶杆21a为与汽缸活塞连接的顶出机构，所述的固定拉杆23a沿轴向穿设于气缸固定前、后端板221a、222a的四个角部并予以固定，所述的连接套筒24a将固定拉杆23a与燃料电池堆1的金属拉杆43a套接，所述的顶杆21a推动燃料电池堆1后端板42a沿轴向向前端板41a方向做压紧动作。
所述的需装配与测试的燃料电池堆1的前端板41a上集中设有氢气进出口411a、411’a，空气进出口412a、412’a以及冷却水进出口413a、413’a。
本实施例中，燃料电池堆1由前端板、正极导电集流母板、100个单电池、负极导电集流母板以及后端板组成。单电池高206mm，宽206mm。装配架上有四根定位导杆，底部二根定位导杆(图未示)，左、右二根定位导杆3a。其中底部二根供支撑燃料电池堆之用，表面做得非常光滑，有利于当燃料电池堆受到压紧装置压力而紧缩时可以滑动；左、右二根定位导杆3a距离比206mm稍宽0.05—0.20mm，有利于各个单电池装配整齐。
压紧装置采用一个活塞式气缸2a，当气缸22a中充入空气或氮气六个大气压时，活塞向燃料电池堆后端板移动，活塞顶杆21a将后端板42a压紧。此时，将燃料电池堆1前端板41a上的三种流体进、出口用管子引出，直接进行燃料电池堆运行测试。
Claims (9)
1.一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统，该系统由以下六个子系统组成：(1)氢气供应子系统，(2)空气供应子系统，(3)冷却散热子系统，(4)控制子系统，(5)燃料电池堆电能输出子系统，(6)燃料电池堆测试与装配架子系统，上述各个子系统分别与燃料电池堆连接；所述的氢气供应子系统包括高压储氢罐、氢罐手动截止阀、充氢阀、一级高压减压阀、供氢电磁阀、氢气增湿器、氢气汽水分离器、氢气定时排放电磁阀及连接管道，高压储氢罐上设置氢罐手动截止阀和充氢阀，并通过一级高压减压阀和供氢电磁阀连接到氢气增湿器上，氢气增湿器连接燃料电池堆的氢气入口管路，燃料电池堆的氢气出口管路连接设有氢气定时排放电磁阀的氢气汽水分离器；所述的空气供应子系统包括高压鼓风机、空气增湿器及连接管道，空气鼓风机连接空气增湿器，空气增湿器的出口连接燃料电池堆的空气入口管路；所述的冷却散热子系统包括冷却水储箱、冷却水循环泵、冷却水散热器、冷却水储箱排水阀及连接管道，冷却水储箱连接冷却水循环泵，然后连接到燃料电池堆的冷却水入口管路，燃料电池堆的冷却水出口管路通过冷却水散热器连接到设有冷却水储箱排水阀的冷却水储箱上；所述的控制子系统包括中央控制器，该中央控制器分别连接供氢电磁阀、氢气定时排放电磁阀、高压鼓风机、冷却水循环泵，集中控制供氢电磁阀、氢气定时排放电磁阀、高压鼓风机、冷却水循环泵的开启与关停，并由该中央控制器控制正常运行下的高压鼓风机及冷却水循环泵电机的转速以及氢气定时排放电磁阀的排放频率，所述的燃料电池堆电能输出子系统包括燃料电池堆、燃料电池外接负载系统，该外接负载系统包括接触器和外接负载，外接负载通过接触器连接到燃料电池堆的正负极上；其特征在于，所述的氢气供应子系统还包括二级低压减压阀、氢气手动排放截止阀，所述的燃料电池堆电能输出子系统还包括燃料电池自身供电系统，该自身供电系统包括蓄电池、调压模块、第一电机控制器、第二电机控制器，所述的第一电机控制器控制起动及运行状态下的高压鼓风机，所述的第二电机控制器控制起动及运行状态下的冷却水循环泵，所述的燃料电池堆测试与装配架子系统包括工作台、压力可调压紧装置、定位导杆；所述的工作台设有板式台面，用于支承压力可调压紧装置和需装配与测试的燃料电池堆，所述的压力可调压紧装置设在台面的一端，所述的燃料电池堆设在台面的另一端，所述的定位导杆至少设有两根，该定位导杆沿轴向垂直穿设于燃料电池堆的前后端板上，所述的压力可调压紧装置设有顶杆，该顶杆推动燃料电池堆的后端板沿轴向向前端板方向做压紧动作。
2.根据权利要求1所述的一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统，其特征在于，所述的冷却水散热器带有散热风扇。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统，其特征在于，还包括第一接触器、第二接触器、第三接触器，所述的中央控制器通过控制第一接触器而控制供氢电磁阀的开启与关闭，通过控制第二接触器而控制氢气定时排放电磁阀的开启频率与排放时间，通过控制第三接触器而控制散热风扇的开启与关闭。
4.根据权利要求1所述的一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统，其特征在于，所述的中央控制器通过第一电机控制器、第二电机控制器对高压鼓风机、冷却水循环泵的开启与关停及电机转速进行控制。
5.根据权利要求1所述的一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统，其特征在于，所述的二级低压减压阀设在供氢电磁阀与氢气增湿器之间。
6.根据权利要求1所述的一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统，其特征在于，所述的氢气手动排放截止阀设在燃料电池堆氢气出口管道上，并与氢气汽水分离器并联。
7.根据权利要求1所述的一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统，其特征在于，所述的调压模块一端与燃料电池堆正负极相连，另一端与蓄电池相连。
8.根据权利要求7所述的一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统，其特征在于，所述的调压模块为双向DC/DC调压模块。
9.根据权利要求7所述的一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统，其特征在于，所述的蓄电池为24V蓄电池。
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