CN102024968B - 一种提高燃料电池运行寿命的模块和使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高燃料电池运行寿命的模块，包括燃料电池堆、负载继电器、负载、燃料电池堆冷却系统、低压电源和燃料电池堆电压调整单元，燃料电池堆电压调整单元包括电压调整控制器、控制开关、惰性电阻和水箱，电压调整控制器与燃料电池堆电输出线路并联连接，与控制开关电连接，与负载继电器电连接，水箱用管路与燃料电池堆冷却系统的冷却水箱连通，惰性电阻设置在水箱内，惰性电阻通过控制开关并联在燃料电池堆电输出线路上。本发明的有益效果是：可以使燃料电池堆无论在开机状态下还是在停机状态下，都能实时控制燃料电池堆单池电压工作在0.85V以下，具有实现简单、成本低和系统结构简单等优点。
Description
技术领域：
本发明涉及燃料电池技术，特别涉及燃料电池堆单池工作电压技术。
背景技术：
燃料电池堆在开路状态或低电密状态下运行时，高电位腐蚀通常会加速燃料电池的衰减。传统的解决办法是控制负载功率，使燃料电池堆避开此工作区。其不足是：对于负载不断变化的实际应用场合，将大大影响燃料电池堆的使用寿命。比如用作汽车动力时，由于汽车负载不断变化，燃料电池可能必需较长时间工作在低电密区，这将大大影响燃料电池堆的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种可提高燃料电池运行寿命的模块和使用方法，使燃料电池堆无论在开机状态下还是在停机状态下，都能实时控制燃料电池堆单池电压工作在稳定电压以下。
本发明的技术方案是：一种提高燃料电池运行寿命的模块，包括燃料电池堆、负载继电器、负载、燃料电池堆冷却系统和低压电源，其特征在于所述提高燃料电池运行寿命的模块还包括燃料电池堆电压调整单元，所述燃料电池堆电压调整单元包括电压调整控制器、控制开关、电阻和水箱，所述电压调整控制器与燃料电池堆电输出线路电连接，与控制开关电连接，与负载继电器电连接，所述水箱用管路与燃料电池堆冷却系统的冷却水箱连通，所述电阻设置在水箱内，电阻通过控制开关并联在燃料电池堆电输出线路上。所述电阻为高温电阻丝，外部用耐高温无缝不锈钢管封装。
本发明所述一种提高燃料电池运行寿命的模块，其特征在于所述电压调整控制器由信号采集电路、滞回比较电路、光耦电路和控制开关电路组成，所述信号采集电路由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1和差动放大器U1组成，电阻R1的一端Vs+与燃料电池堆的正极相连，电阻R2的另一端Vs-与燃料电池堆的负极相连，差动放大器U1的输入端两脚与燃料电池堆电输出端连接，电阻R1和电阻R3串联在差动放大器U1与燃料电池堆电输出的正极连接的线路上，电阻R2并联在电阻R2连接点和差动放大器U1与燃料电池堆电输出的负极极连接的线路之间；所述滞回比较电路由比较器U2和电阻R4、电阻R5和电阻R6组成，比较器U2的输入端的一脚与差动放大器U1的输出端连接，电阻R4、电阻R5和电阻R6串联连接，比较器U2的输入端的另一脚与电阻R4连接，比较器U2的输出端与电阻R6连接，电阻R4和电阻R6为可调电阻；所述光耦电路由比较器U3、电阻R7、电阻R8、电阻R9和光耦U4组成，电阻R7和电阻R8串联，电阻R9并联在电阻R7和光耦U4的二极管的正极之间，比较器U3的输入端的一脚与比较器U2的输出端连接，比较器U3的输入端的另一脚与电阻R7和电阻R8连接点连接；所述控制开关电路由三极管Q1、三极管Q2、电阻R10和控制开关组成，三极管Q1的基极与光耦U4的发射极连接，三极管Q1的发射极与三极管Q2的基极连接，三极管Q1的集电极Vo与控制开关继电器的一端连接，三极管Q2的发射极与直流电源的负极连接，三极管Q2的集电极与三极管Q1的集电极连接，在三极管Q1的集电极和直流电源正极之间接有二极管D1，二极管D1反向连接，电阻R10的一端Vp+与控制开关继电器的另一端连接。
本发明所述一种提高燃料电池运行寿命的模块，其特征在于所述直流电源为24V直流电源。
本发明所述一种提高燃料电池运行寿命的模块，其特征在于所述的差动放大器U1是AD620。
本发明所述一种提高燃料电池运行寿命的模块，其特征在于所述比较器U2是LM393。
本发明所述一种提高燃料电池运行寿命的模块，其特征在于所述光耦U4是TLP521。
本发明所述一种提高燃料电池运行寿命的模块，其特征在于所述三极管Q1和三极管Q2是8050。
本发明所述一种提高燃料电池运行寿命的模块，其特征在于所述控制开关是EV200开关。
本发明所述一种提高燃料电池运行寿命的模块的使用方法，其特征在于所述使用方法包括以下步骤：
a、将系统电连接部分和水连接部分连接好，接通直流电源，燃料电池堆处于发电状态；
b、调节电压调整控制器滞回比较电路的电阻R4和电阻R6的阻值，使滞回比较器达到需要阀值，实现光耦U4的快速导通和截止；
c、调节电压调整控制器滞回比较电路的电阻R4和电阻R5的阻值，使燃料电池堆输出电压为设定高限值时，控制开关导通，当燃料电池堆输出电压为低限值时控制开关截止；
d、以上述调节好的状态参与燃料电池堆运行。
本发明的基本原理是：系统燃料电池堆电压调整单元实时监测燃料电池堆的输出电压，当燃料电池堆输出电压平均值超过设定值V1，则控制吸合控制开关，接通电阻，当燃料电池堆输出电压平均值低压设定值V2，则控制断开控制开关，断开电阻，使燃料电池堆单池电压工作在稳定电压（0.85V）以下，从而提高燃料电池运行寿命。
本发明的有益效果是：可以使燃料电池堆无论在开机状态下还是在停机状态下，都能实时控制燃料电池堆单池电压工作在稳定电压（0.85V）以下，具有实现简单、成本低、系统结构简单和可提高燃料电池运行寿命等优点。
附图说明
本发明共有附图二幅，其中
图1是本发明的系统原理图，
图2是电压调整控制器电路图。
图中，100、燃料电池堆，200、负载继电器，300、燃料电池堆电压调整单元，301、电压调整控制器，302、控制开关，303、电阻，304、水箱，400、负载，500、燃料电池堆冷却系统，600、低压电源。
具体实施方式
以30kw燃料电池发电系统为例：对本发明的作进一步描述。燃料电池堆100包括300节单电池，负载继电器200是EV200型继电器，燃料电池堆电压调整单元300由电压调整控制器301、控制开关302、电阻303和水箱组成304，控制开关302是EV200型开关，电阻303的阻值为18欧姆，电压调整控制器301由信号采集电路、滞回比较电路、光耦电路和控制开关电路组成，负载400是30kw电子负载，低压电源600是24V电瓶。电压调整控制器与燃料电池堆电输出线路并联连接，与控制开关电连接，与负载继电器电连接，水箱用管路与燃料电池堆冷却系统的冷却水箱连通，电阻设置在水箱内，电阻通过控制开关并联在燃料电池堆电输出线路上。电阻R1、R2、R3以及电容C1和差动放大器U1组成信号采集电路，将信号衰减到0～10V，比较器U2和R4、R5、R6组成滞回比较器，通过调节R4和R6的阻值实现滞回比较器阀值的大小，U3和R7、R8实现光耦U4的快速导通和截止；Q1、Q2和R10控制控制开关302的导通和截止；Vp+和Vp-分别接24V电源的正端和负端，VI＋和Vo连接在继电器的两端。
使用时，调节电阻R4和电阻R5，使燃料电池堆输出电压为250V时，控制开关302导通，接通电阻303，当燃料电池堆输出电压为200V时，控制开关302截止，断开电阻303。
上述实施例，经实际测试，导通单电压在0.768-0.816之间，截止单电压在0.628-0.813之间，具体数据如下：
Claims (9)
1.一种提高燃料电池运行寿命的模块，包括燃料电池堆(100)、负载继电器(200)、负载(400)、燃料电池堆冷却系统(500)和低压电源(600)，燃料电池堆(100)通过负载继电器(200)与负载(400)连接，其特征在于所述提高燃料电池运行寿命的模块还包括燃料电池堆电压调整单元(300)，所述燃料电池堆电压调整单元(300)包括电压调整控制器(301)、控制开关(302)、惰性电阻(303)和水箱(304)，所述电压调整控制器(301)与燃料电池堆电输出线路电连接，与控制开关(302)电连接，与负载继电器(200)电连接，所述水箱(304)用管路与燃料电池堆冷却系统(500)的冷却水箱连通，所述惰性电阻(303)设置在水箱(304)内，惰性电阻(303)通过控制开关(302)并联在燃料电池堆(100)电输出线路上。
2.根据权利要求1所述一种提高燃料电池运行寿命的模块，其特征在于所述电压调整控制器(301)由信号采集电路、滞回比较电路、光耦电路和控制开关电路组成，所述信号采集电路由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1和差动放大器U1组成，电阻R1的一端Vs+与燃料电池堆的正极相连，电阻R2的另一端Vs-与燃料电池堆的负极相连，差动放大器U1的输入端两脚与燃料电池堆电输出端连接，电阻R1和电阻R3串联在差动放大器U1与燃料电池堆电输出的正极连接的线路上，电阻R2并联在电阻R2连接点和差动放大器U1与燃料电池堆电输出负极连接的线路之间；所述滞回比较电路由比较器U2、电阻R4、电阻R5和电阻R6组成，比较器U2的输入端的一脚与差动放大器U1的输出端连接，电阻R4、电阻R5和电阻R6串联连接，比较器U2的输入端的另一脚与电阻R4连接，比较器U2的输出端与电阻R6连接，电阻R4和电阻R6为可调电阻；所述光耦电路由比较器U3、电阻R7、电阻R8、电阻R9和光耦U4组成，电阻R7和电阻R8串联，电阻R9并联在电阻R7和光耦U4的二极管的正极之间，比较器U3的输入端的一脚与比较器U2的输出端连接，比较器U3的输入端的另一脚与电阻R7和电阻R8连接点连接；所述控制开关电路由三极管Q1、三极管Q2、电阻R10和控制开关组成，三极管Q1的基极与光耦U4的发射极连接，三极管Q1的发射极与三极管Q2的基极连接，三极管Q1的集电极Vo与控制开关(302)的继电器的一端连接，三极管Q2的发射极与直流电源的负极连接，三极管Q2的集电极与三极管Q1的集电极连接，在三极管Q1的集电极和直流电源正极之间接有二极管D1，二极管D1反向连接，电阻R10的一端Vp+与控制开关(302)继电器的另一端连接。
3.根据权利要求2所述一种提高燃料电池运行寿命的模块，其特征在于所述直流电源为24V直流电源。
4.根据权利要求2所述一种提高燃料电池运行寿命的模块，其特征在于所述的差动放大器U1是AD620。
5.根据权利要求2所述一种提高燃料电池运行寿命的模块，其特征在于所述比较器U2是LM393。
6.根据权利要求2所述一种提高燃料电池运行寿命的模块，其特征在于所述光耦U4是TLP521。
7.根据权利要求2所述一种提高燃料电池运行寿命的模块，其特征在于所述三极管Q1和三极管Q2是8050。
8.根据权利要求2所述一种提高燃料电池运行寿命的模块，其特征在于所述控制开关(302)是EV200开关。
9.权利要求2所述一种提高燃料电池运行寿命的模块的使用方法，其特征在于所述使用方法包括以下步骤：
a、将系统电连接部分和水连接部分连接好，接通直流电源，燃料电池堆处于发电状态；
b、调节电压调整控制器(301)滞回比较电路的电阻R4和电阻R6的阻值，使滞回比较器达到需要阀值，实现光耦U4的快速导通和截止；
c、调节电压调整控制器(301)滞回比较电路电阻R4和电阻R5的阻值，使燃料电池堆输出电压为设定高限值时，控制开关(302)导通，当燃料电池堆输出电压为低限值时控制开关(302)截止；
d、以上述调节好的状态参与燃料电池堆运行。
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