CN101241997A - 含有保护气体的燃料电池进气、排气控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了含有保护气体的燃料电池进气、排气控制装置，包括：控制燃料电池的氧气进气电磁阀、控制燃料电池的氧气排气电磁阀、控制燃料电池的氢气进气电磁阀、控制燃料电池的氢气排气电磁阀；控制燃料电池的氮气进气电磁阀，氮气进气电磁阀分别连接氮氢气连通电磁阀、氮氧气连通电磁阀，并分别与所述氢气进气电磁阀、氧气进气电磁阀连接同一条气路；各个电磁阀与单片机输出控制信号的引脚连接，单片机的输入控制信号的引脚连接打开电磁阀的进气开关、排气开关。公开的另一种装置中采用单向阀代替氮氢气电磁阀、氮氧气电磁阀。本发明中的装置可连接保护气体氮气，保护燃料电池。

Description

含有保护气体的燃料电池进气、排气控制装置

技术领域

本发明涉及燃料电池控制技术领域，特别是指含有保护气体的燃料电池进气、排气控制装置。

背景技术

随着科学技术的发展，清洁、绿色的能源将成为未来社会的主要能源。其中，燃料电池将作为首选的清洁能源。

燃料电池是以膜电极集合体(简称MEA)组成的基本单元中加入一定压力的氢气和氧气进行电化学的反应而发电。

燃料电池在正常工作前，其内部没有氢气和氧气不能工作，氢气和氧气就要均匀缓慢且等压力地加入到燃料电池中，当燃料电池内的氢气和氧气达到额定压力后，燃料电池才能正常工作。

当要关闭燃料电池时，由于其内部有一定压力的氢气和氧气，所以就要均匀缓慢且等压力地将氢气和氧气排放掉，使燃料电池内部氢气氧气压力降为常压。

目前燃料电池控制装置可参见图1，包括氢气瓶、氧气瓶、燃料电池，氢气瓶上安装有氢气减压阀101，氧气瓶上安装有氧气减压阀102，燃料电池工作时，首先打开氢气瓶氧气瓶的阀门，再手动缓慢的调节氢气减压阀101和氧气减压阀102，尽量使氢气和氧气均匀缓慢且等压力地加入到燃料电池中，当达到额定压力后，燃料电池系统开启完成就可以正常使用了。

燃料电池系统关闭时，首先关闭氢气瓶氧气瓶的阀门，再关闭氢气减压阀和氧气减压阀，然后通过手动适当打开氢气排气阀门103和氧气排气阀门104，尽量使燃料电池内部氢气氧气均匀缓慢且等压力的排放，直到压力降为零，最后关闭氢气排气阀门103和氧气排气阀门104，燃料电池关闭。在燃料电池工作过程中，产生的水分别存储在氢气气液分离罐105、氧气气液分离罐106中。

上述燃料电池的开启和关闭是通过手动控制两个进气阀、两个排气阀来实现的，但由于这种手动控制不够准确，难以保证氢气和氧气在进气过程中压力相等，可能导致燃料电池内部的膜电极由于所受氢气氧气压力不平衡而损坏；也难以保证氢气和氧气均匀缓慢地通入燃料电池内部，可能因进气速度过快发生起火自燃的事故。燃料电池系统关闭后，仍有氢气、氧气留在燃料电池内部，燃料电池也还有电压，存在起火自燃、意外放电等风险。

发明内容

有鉴于此，本发明在于提供含有保护气体的燃料电池进气、排气控制装置，以解决上述手动控制燃料电池的开启/关闭不够准确，容易发生事故的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种含有保护气体的燃料电池进气、排气控制装置，包括：

控制燃料电池氧气进气的氧气进气电磁阀、控制燃料电池氧气排气的氧气排气电磁阀、控制燃料电池氢气进气的氢气进气电磁阀、控制燃料电池氢气排气的氢气排气电磁阀；控制燃料电池氮气进气的氮气进气电磁阀，所述氮气进气电磁阀分别连接氮氢气连通电磁阀、氮氧气连通电磁阀，所述氮氢气连通电磁阀与所述氢气进气电磁阀连接同一条气路，所述氮氧气连通电磁阀与所述氧气进气电磁阀连接同一条气路；所述各个电磁阀与单片机输出控制信号的引脚连接，所述单片机的输入控制信号的引脚连接打开所述进气电磁阀、连通电磁阀的进气开关、打开所述排气电磁阀的排气开关。

优选的，所述各个电磁阀与所述单片机之间还连接有放大所述控制信号的三级管。

优选的，所述三极管为NPN型、或PNP型。

优选的，所述三极管的基极连接所述单片机输入信号输出信号的引脚，发射极接地，集电极连接所述电磁阀。

优选的，所述各个电磁阀与所述单片机之间还连接有调节电阻。

本发明还提供一种含有保护气体的燃料电池进气、排气控制装置，包括：

控制燃料电池氧气进气的氧气进气电磁阀、控制燃料电池氧气排气的氧气排气电磁阀、控制燃料电池氢气进气的氢气进气电磁阀、控制燃料电池氢气排气的氢气排气电磁阀；控制燃料电池氮气进气的氮气进气电磁阀，所述氮气进气电磁阀分别连接两个单向阀，一个单向阀与所述氢气进气电磁阀连接同一条气路，另一个单向阀与所述氧气进气电磁阀连接同一条气路；所述各个电磁阀与单片机输出控制信号的引脚连接，所述单片机的输入控制信号的引脚连接打开所述进气电磁阀的进气开关、打开所述排气电磁阀的排气开关。

优选的，所述各个电磁阀与所述单片机之间还连接有放大所述控制信号的三级管。

优选的，所述三极管为NPN型、或PNP型。

优选的，所述三极管的基极连接所述单片机输出信号的引脚，发射极接地，集电极连接所述电磁阀。

优选的，所述各个电磁阀与所述单片机之间还连接有调节电阻。

上述实施例中的装置，通过打开氢气进气电磁阀、氧气进气电磁阀，使燃料电池中氢气、氧气等压力注入；可匀速打开氢气排气电磁阀、氧气排气电磁阀，使燃料电池中氢气、氧气等压力排出；从而避免由于手动操作导致燃料电池中氢气、氧气压力不相等而导致的安全隐患。

另外，在燃料电池的开启/关闭时注入保护气体氮气，使由于通入氮气时燃料电池的氢气气路和氧气气路为连通状态，进气压力始终保持相等，避免膜电极由于气压不平衡而损坏；氮气为不活泼气体，既不助燃也不可燃，即使进气速度较快也不存在起火自燃的风险；在燃料电池关闭后，其内部只有常压的氮气，燃料电池电压为零，不可能有意外放电的情况发生，不存在起火自燃的风险，可安全存放；氮气还对燃料电池有保护作用，可避免在长期存放时因自放电、缓慢氧化等因素造成的电池老化。

附图说明

图1是手动控制减压阀的燃料电池结构图；

图2是实施例一中装置的结构图；

图3是实施例一中的装置与燃料电池连接的示意图；

图4是实施例二中装置的结构图；

图5是实施例二中的装置与燃料电池连接的示意图；

图6是实施例一、实施例二中的单片机的主程序图；

图7是实施例一的装置进气过程的流程图；

图8是实施例一的装置排气过程的流程图；

图9是实施例二的装置进气过程的流程图；

图10是实施例二的装置排气过程的流程图。

具体实施方式

为清楚说明本发明中的装置，下面给出实施例并结合附图详细说明。

参见图2，图2是实施例一的装置结构图，该实施例中，包括：

控制开关、氧气排气电磁阀、氧气进气电磁阀、氢气排气电磁阀、氢气进气电磁阀、氮气进气电磁阀、氮氢气连通电磁阀(氮氢连通电磁阀)、氮氧气连通电磁阀(氮氧连通电磁阀)、单片机。

其中，控制开关包括：用于控制燃料电池开启并进气的开关S1，用于燃料电池关闭并排气的开关S2；控制开关S1、S2分别连接在单片机的引脚8、引脚12上；氢气进气电磁阀连接在单片机的引脚17上，氢气排气电磁阀连接在单片机的引脚15上，氧气进气电磁阀连接在单片机的引脚13上，氧气排气电磁阀连接在单片机的引脚11上，氮气进气电磁阀连接在单片机的引脚9上，氮氢气连通电磁阀连接在单片机的引脚7上，氮氧气连通电磁阀连接在单片机的引脚5上；各个电磁阀与单片机之间设置有调节电阻和三极管，三极管可实现控制信号的放大，三极管可以为NPN型、或PNP型，在本实施例中，采用基极连接所述单片机输出信号的引脚，发射极接地，集电极连接所述电磁阀。

上述的装置可安装在燃料电池上，从而实现由单片机准确控制燃料电池的氢气、氧气、氮气的进气、排气。

该装置安装在燃料电池上的结构图可参见图3，可将该装置的氢气进气电磁阀安装在燃料电池的氢气进气口上，将氧气进气电磁阀安装在燃料电池的氧气进气口上；将氢气排气电磁阀安装在燃料电池的氢气排气口上，将氧气排气电磁阀安装在燃料电池的氧气排气口上；为保护燃料电池的安全，燃料电池还连接有保护气体氮气，氮气通过连接有氮气减压阀107的氮气瓶接入，氮气减压阀107连接氮气进气电磁阀，氮气进气电磁阀分别连接氮氢气连通电磁阀、氮氧气连通电磁阀，氮氢气连通电磁阀与氢气进气电磁阀连接同一条气路，氮氧气连通电磁阀与氧气进气电磁阀连接同一条气路，并最终接入燃料电池。

上面详细描述了实施例一，对于实现本发明的装置，还有另外一种实现方式，该实现方式可通过实施例二详细说明，参见图5、图6，实施例二中的装置包括：

控制开关、氧气排气电磁阀、氧气进气电磁阀、氢气排气电磁阀、氢气进气电磁阀、氮气进气电磁阀、两个单向阀108、单片机。

其中，控制开关包括：用于控制燃料电池开启并进气的开关S1，用于燃料电池关闭并排气的开关S2；控制开关S1、S2分别连接在单片机的引脚8、引脚12上；氢气进气电磁阀连接在单片机的引脚17上，氢气排气电磁阀连接在单片机的引脚15上，氧气进气电磁阀连接在单片机的引脚13上，氧气排气电磁阀连接在单片机的引脚11上，氮气进气电磁阀连接在单片机的引脚9上；各个电磁阀与单片机之间设置有调节电阻和三极管，三极管可实现控制信号的放大，三极管可以为NPN型、或PNP型；实施例二与实施例一中的区别在于，实施例中的氮氢气连通电磁阀、氮氧气连通电磁阀采用两个单向阀代替。

实施例一、实施例二的装置虽有区别，但单片机的控制主程序相同，如图6所示，单片机会不断的检测控制开关S1、S2上是否有控制信号，当检测到控制开关S1上控制信号时，单片机会发出控制信号，开启燃料电池，并进气；当单片机检测到控制开关S2上控制信号时，单片机会发出控制信号，关闭燃料电池，并排气。

下面详细说明实施例一、实施例二中的装置在工作过程中进气、排气的流程。

首先说明实施例一中的装置进气的流程图，参见图7，进气过程包括：

打开氢气瓶、氧气瓶以及氮气瓶的阀门，氢气减压阀、氧气减压阀以及氮气减压阀为可调节减压阀并已经调定出口气压为额定压力。

单片机运行，各电磁阀均处于关闭状态。当单片机通过按键电路检测到开启按键S1按下时，单片机通过电磁阀电路，打开氮氢气连通电磁阀和氮氧气连通电磁阀，用脉宽调制(PWM)控制的方式按设定程序缓慢打开氮气进气电磁阀，使氮气均匀缓慢地通入到燃料电池中。直到达到额定压力，再关闭氮气进气电磁阀、氮氢气连通电磁阀和氮氧气连通电磁阀，打开氢气进气电磁阀和氧气进气电磁阀，然后用PWM控制的方式按设定程序缓慢打开氢气排气电磁阀和氧气排气电磁阀，使氢气、氧气均匀缓慢通入燃料电池内部，排出氮气。直到氮气全部排出，燃料电池内部充满氢气和氧气，再关闭氢气排气电磁阀和氧气排气电磁阀，完成燃料电池系统的开启。

在燃料电池运行结束后时，其排气流程可如图8所示，当单片机通过按键电路检测到关闭按键S2按下时，单片机通过电磁阀电路，关闭氢气进气电磁阀和氧气进气电磁阀，用PWM控制的方式按设定程序打开氢气排气电磁阀和氧气排气电磁阀，使氢气和氧气在排气过程中保持压力平衡，直到燃料电池内部降为常压，再打开氮氢气连通电磁阀和氮氧气连通电磁阀，用PWM控制的方式按设定程序打开氮气进气电磁阀，用PWM控制的方式按设定程序调节氢气排气电磁阀和氧气排气电磁阀，直到排尽燃料电池内的氢气和氧气，燃料电池内部充满氮气，再关闭氮气进气电磁阀，直到氮气降为常压，关闭氮氢气连通电磁阀、氮氧气连通电磁阀、氢气排气电磁阀和氧气排气电磁阀，完成燃料电池系统的关闭。

实施例二中的装置控制燃料电池开启的过程如图9所示，包括：

燃料电池系统开启时，单片机运行，各电磁阀均处于关闭状态。当单片机通过按键电路检测到开启按键S1按下时，单片机通过电磁阀电路，用PWM控制的方式控制氮气进气电磁阀，使其按设定程序缓慢打开，使氮气通过单向阀均匀缓慢地通入到燃料电池中。直到达到额定压力，再关闭氮气进气电磁阀，打开氢气进气电磁阀和氧气进气电磁阀，然后用PWM控制的方式按设定程序缓慢打开氢气排气电磁阀和氧气排气电磁阀，使氢气、氧气均匀缓慢通入燃料电池内部，排出氮气。直到氮气全部排出，燃料电池内部充满氢气和氧气，再关闭氢气排气电磁阀和氧气排气电磁阀，完成燃料电池系统的开启。

在燃料电池运行结束后，排气的流程如图10所示，当单片机通过按键电路检测到关闭按键S2按下时，单片机通过电磁阀电路，关闭氢气进气电磁阀和氧气进气电磁阀；打开氮气进气电磁阀；用PWM控制的方式按设定程序打开氢气排气电磁阀和氧气排气电磁阀，使氢气和氧气在排气过程中保持压力平衡；直到排尽氢气和氧气，燃料电池内部充满氮气，再关闭氮气进气电磁阀；到氮气降为常压时，关闭氢气排气电磁阀和氧气排气电磁阀，完成燃料电池系统的关闭。

上述实施例中的装置，可采用能够匀速打开的氮气进气电磁阀或可匀速打开的氢气进气电磁阀、氧气进气电磁阀；通过打开氢气进气电磁阀、氧气进气电磁阀，使燃料电池中氢气、氧气等压力注入；可匀速打开氢气排气电磁阀、氧气排气电磁阀，使燃料电池中氢气、氧气等压力排出；从而避免由于手动操作导致燃料电池中氢气、氧气压力不相等而导致的安全隐患。

另外，在燃料电池的开启/关闭时注入保护气体氮气，使由于通入氮气时燃料电池的氢气气路和氧气气路为连通状态，进气压力始终保持相等，避免膜电极由于气压不平衡而损坏；氮气为不活泼气体，既不助燃也不可燃，即使进气速度较快也不存在起火自燃的风险；在燃料电池关闭后，其内部只有常压的氮气，燃料电池电压为零，不可能有意外放电的情况发生；不存在起火自燃的风险，可安全存放；氮气还对燃料电池有保护作用，可避免在长期存放时因自放电、缓慢氧化等因素造成的电池老化。

对于本发明各个实施例中所阐述的装置，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种含有保护气体的燃料电池进气、排气控制装置，其特征在于，包括：

控制燃料电池氧气进气的氧气进气电磁阀、控制燃料电池氧气排气的氧气排气电磁阀、控制燃料电池氢气进气的氢气进气电磁阀、控制燃料电池氢气排气的氢气排气电磁阀；控制燃料电池氮气进气的氮气进气电磁阀，所述氮气进气电磁阀分别连接氮氢气连通电磁阀、氮氧气连通电磁阀，所述氮氢气连通电磁阀与所述氢气进气电磁阀连接同一条气路，所述氮氧气连通电磁阀与所述氧气进气电磁阀连接同一条气路；所述各个电磁阀与单片机输出控制信号的引脚连接，所述单片机的输入控制信号的引脚连接打开所述进气电磁阀、连通电磁阀的进气开关、打开所述排气电磁阀的排气开关。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述各个电磁阀与所述单片机之间还连接有放大所述控制信号的三极管。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述三极管为NPN型、或PNP型。

4、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述三极管的基极连接所述单片机输出信号的引脚，发射极接地，集电极连接所述电磁阀。

5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述各个电磁阀与所述单片机之间还连接有调节电阻。

6、一种含有保护气体的燃料电池进气、排气控制装置，其特征在于，包括：

控制燃料电池氧气进气的氧气进气电磁阀、控制燃料电池氧气排气的氧气排气电磁阀、控制燃料电池氢气进气的氢气进气电磁阀、控制燃料电池氢气排气的氢气排气电磁阀；控制燃料电池氮气进气的氮气进气电磁阀，所述氮气进气电磁阀分别连接两个单向阀，一个单向阀与所述氢气进气电磁阀连接同一条气路，另一个单向阀与所述氧气进气电磁阀连接同一条气路；所述各个电磁阀与单片机输出控制信号的引脚连接，所述单片机的输入控制信号的引脚连接打开所述进气电磁阀的进气开关、打开所述排气电磁阀的排气开关。

7、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述各个电磁阀与所述单片机之间还连接有放大所述控制信号的三极管。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述三极管为NPN型、或PNP型。

9、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述三极管的基极连接所述单片机输出信号的引脚，发射极接地，集电极连接所述电磁阀。

10、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述各个电磁阀与所述单片机之间还连接有调节电阻。

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