CN108281685A - 一种质子交换膜燃料电池、成套设备及自动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池、成套设备及自动控制方法，属于质子交换膜燃料电池技术领域。包括夹板和上夹板，在下夹板和上夹板之间安装有相互层叠的多块燃料电池板，并且下夹板和上夹板之间通过固定杆进行紧固；在相邻的燃料电池板之间设有温度传感器；质子交换膜燃料电池上还设有氢气进口管和空气进口管，分别用于向燃料电池板中输入氢气和氧气。本发明提供的质子交换膜燃料电池可以有效地对各个电板的温度进行监控，并将其反馈至远程监控端上，使电板运行在适宜的温度范围内。
Description
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池、成套设备及自动控制方法，属于质子交换膜燃料电池技术领域。
背景技术
质子交换膜燃料电池( PEMFC)是作为继碱性燃料电池( AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池( MCFC )和固体氧化物燃料电池(SOFC)之后发展起来的第五代燃料电池，由于采用了固态电解质高分子膜作为电解质，因此具有体积小、启动快、能量转换率高、低温启动、无电解质泄露等特点，另外它还具有燃料多样化、环境污染小、噪音低、可靠性及维修性好等优点，且对环境污染小，几乎不排放氮氧化物或硫氧化物，CO2 排放量也比常规发电厂少40% 以上，被公认为最有希望成为航天、军事、电动汽车和区域性电站的首选电源。 20 世纪末开始，国际上形成了一个PEMFC的开发热潮，使得PEMFC成为了目前世界上发展最为迅速的燃料电池。目前，我国也在大力发展PEMFC，以推动燃料电池汽车的商用化。
质子交换膜的耐温程度有限，一般不超过100℃。对实验数据的分析表明，电池堆表面温度在70~ 80℃时，电池的放电性能较好，超过这个温度，电池的稳定性和质子传导性能下降，对燃料电池的性能有很大影响，需要对燃料电池堆进行冷却。
CN104934619A公开了一种简单有效的水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统及其控制方法，热管理系统主要包括：电堆、带有加热装置的水箱、冷却水循环泵、散热器、冷却水入堆温度传感器、冷却水出堆温度传感器、冷却水入堆压力传感器、热管理系统的控制器。控制方法上，针对传统的控制策略跟踪温度的变化造成的滞后、超调量大、系统耦合等缺点，提出一种跟随压力变化的控制方法。其中，散热器主要用于控制电堆冷却水入口温度，主要是根据燃料电池电堆冷却水入口温度来控制散热风扇的转速；冷却水循环泵主要用于控制整个热管理系统中的冷却水流量，主要根据燃料电池电堆冷却水入口压力来控制循环泵的转速。CN103715441A公开一种基于阵列热管相变传热的质子交换膜燃料电池热管理方法，其特征在于：采用阵列微通道热管并联紧密镶嵌在燃料电池板上，热管管径为0.3cm～0.5cm；其采用一种全新的热管方式进行热管理，电池内部通过热管散热，特别是处理局部过热等问题。除此之外，还需要开发一种更好地对燃料电池运行过程的温度进行监测的方法。
发明内容
本发明的目的是：提供了一种具有对质子交换膜燃料电池板进行实时监控的电池组件，以及远程监控电池运行的方法；也提供了一种质子交换膜燃料电池的成套设备，其中可以对供入的空气进行过滤处理，提高了电池运行寿命。
本发明的第一个方面，提供了：
一种质子交换膜燃料电池，包括夹板和上夹板，在下夹板和上夹板之间安装有相互层叠的多块燃料电池板，并且下夹板和上夹板之间通过固定杆进行紧固；在相邻的燃料电池板之间设有温度传感器；质子交换膜燃料电池上还设有氢气进口管和空气进口管，分别用于向燃料电池板1中输入氢气和氧气。
在一个实施例中，温度传感器的数量为多个。
在一个实施例中，温度传感器的型号为PT100温度传感器。
本发明的第二个方面，提供了：
一种燃料电池成套设备，包括上述的质子交换膜燃料电池，温度传感器通过单片机与无线传输模块连接，无线传输模块将温度传感器采集到的数值通过无线网络发送至无线接收模块；无线接收模块与中央处理单元连接，中央处理单元还连接在比对单元，比对单元用于对采集的温度数值与标准值进行对比，若不在阈值范围内时，则通知中央处理单元，中央处理单元命令报警单元发出声音。
在一个实施例中，所述的无线网络是蓝牙、WIFI、GPRS或者Zigbee网络。
在一个实施例中，中央处理单元还与显示面板连接，用于将采集到的温度数值在显示面板上进行显示。
在一个实施例中，还包括空气过滤器，用于对进入燃料电池的空气进行过滤去除灰尘。
在一个实施例中，所述的空气过滤器包括：壳体，在壳体上设置滤出气出口管和空气入口，在壳体内还装填有中空纤维束，空气入口连通于中空纤维束外部，滤出气出口管连通于中空纤维束的管内，中空纤维束用于对空气进行过滤去除灰尘；在滤出气出口管与中空纤维束之间的管路的一侧还设有第一腔室，第一腔室的一侧为第一弹性板，第一弹性板位于滤出气出口管与中空纤维束之间的管路上，在第一腔室内部还设第一连接杆，第一连接杆一端连接于第一弹性板，另一端穿过第一腔室，在第一腔室与壳体的内腔相邻的一侧还分别设第一单向阀和第二单向阀，第一单向阀只能向壳体的内腔开启，第二单向阀只能向第一腔室开启；在壳体的内腔中还设有第二腔室，第二腔室的一侧为第二弹性板，第二腔室的内部还设有第二连接杆，第二连接杆的一端连接于第二弹性板，另一端穿过第二腔室，并且在另一端上还设有固定板，在第二腔室与壳体的内腔相邻的一侧还分别设第三单向阀和第四单向阀，第三单向阀只能向第二腔室开启，第四单向阀只能向壳体的内腔开启；中空纤维束的一端与滤出气出口管连通且另一端固定于固定板。
在一个实施方式中，在壳体的底部还设有灰尘接收槽，用于接收截留的灰尘。
本发明的第四个方面，提供了：
一种燃料电池成套设备的自动控制方法，包括如下步骤：
通过氢气进口管和空气进口管分别向燃料电池板中供入氢气和氧气，使燃料电池板产生电能；
通过温度传感器获取燃料电池板上的运行温度，并将采集到的温度数据传输至中央处理单元，中央处理单元将温度数据与标准值进行对比，若不在阈值范围内时，则通知中央处理单元，中央处理单元命令报警单元发出声音。
在一个实施例中，通过空气过滤器对进入空气进口管的空气进行过滤处理。
有益效果
本发明提供的质子交换膜燃料电池一方面可以有效地对各个电板的温度进行监控，并将其反馈至远程监控端上，使电板运行在适宜的温度范围内；另一方面，实现了对电池供入空气的过滤除尘，提高了电池的运行寿命。
附图说明
图1是本发明提供的质子交换膜燃料电池的立体结构图；
图2是本发明提供的质子交换膜燃料电池的侧面视图；
图3是温度传感器的模块图；
图4是空气过滤器的结构图；
其中，1、燃料电池板；2、下夹板；3、上夹板；4、温度传感器；5、氢气进口管；6、空气进口管；7、固定杆；8、空气过滤器；9、壳体；10、中空纤维束；11、滤出气出口管；12、空气入口；13、第一腔室；14、第二腔室；15、第一连接杆；16、第二连接杆；17、固定板；18、第一弹性板；19、第二弹性板；20、第一单向阀；21、第二单向阀；22、第三单向阀；23、第四单向阀；24、灰尘接收槽。
具体实施方式
如图1和图2所示的本发明提供的质子交换膜燃料电池，包括下夹板2和上夹板3，在下夹板2和上夹板3之间安装有相互层叠的多块燃料电池板1，并且下夹板2和上夹板3之间通过固定杆7进行紧固；在相邻的燃料电池板1之间设有温度传感器4。通过这样的结构可以更好地直接对燃料电池板1上的温度进行直接监控；质子交换膜燃料电池上还设有氢气进口管5和空气进口管6，分别用于向燃料电池板1中输入氢气和氧气。在一个实施例中，温度传感器4的数量为多个，可以针对不同的燃料电池板1的温度实现检测。
本发明中，可以将温度传感器4所获得的温度数值通过远程方式输送进监控设备中，如图3所示的模块图，其中温度传感器4的数量为多个，温度传感器4通过单片机与无线传输模块连接，无线传输模块将温度传感器4采集到的数值通过无线网络发送至无线接收模块，这里的无线网络可以是蓝牙、WIFI、GPRS、Zigbee等；无线接收模块与中央处理单元连接，中央处理单元还连接在比对单元，比对单元用于对采集的温度数值与标准值进行对比，若不在阈值范围内时，则通知中央处理单元，中央处理单元命令报警单元发出声音；同时，中央处理单元还与显示面板连接，用于将采集到的温度数值在显示面板上进行显示。
本发明中，可以由质子交换膜燃料电池、上述的监控模块以及空气过滤器等组成成套设备。其中，空气过滤器用于对进入燃料电池的空气进行过滤去除灰尘等，防止其对燃料电池的内部通道构成污染。
在一个实施例中，可以采用如图4所示的空气过滤器8，包括：壳体9，在壳体9上设置滤出气出口管11和空气入口12，在壳体9内还装填有中空纤维束10，空气入口12连通于中空纤维束10外部，滤出气出口管11连通于中空纤维束10的管内，中空纤维束10用于对空气进行过滤去除灰尘；在滤出气出口管11与中空纤维束10之间的管路的一侧还设有第一腔室13，第一腔室13的一侧为第一弹性板18，第一弹性板18位于滤出气出口管11与中空纤维束10之间的管路上，在第一腔室13内部还设第一连接杆15，第一连接杆15一端连接于第一弹性板18，另一端穿过第一腔室13，在第一腔室13与壳体9的内腔相邻的一侧还分别设第一单向阀20和第二单向阀21，第一单向阀20只能向壳体9的内腔开启，第二单向阀21只能向第一腔室13开启；在壳体9的内腔中还设有第二腔室14，第二腔室14的一侧为第二弹性板19，第二腔室14的内部还设有第二连接杆16，第二连接杆16的一端连接于第二弹性板19，另一端穿过第二腔室13，并且在另一端上还设有固定板17，在第二腔室14与壳体9的内腔相邻的一侧还分别设第三单向阀22和第四单向阀23，第三单向阀22只能向第二腔室14开启，第四单向阀23只能向壳体9的内腔开启；中空纤维束10的一端与滤出气出口管11连通且另一端固定于固定板17。
在一个实施方式中，在壳体9的底部还设有灰尘接收槽24，用于接收截留的灰尘。
在使用的过程中，首先通过空气入口12供入空气，经过中空纤维束10的过滤后灰尘被截留，净化后的空气从中空纤维束10的内管中进入滤出气出口管11，滤出气出口管11与空气进口管6连接使滤过的空气进入燃料电池板内，当灰尘积累到一定数量时，需要对中空纤维束10进行反吹处理，反吹气源连接在滤出气出口管11上并向中空纤维束10内喷出。由于刚喷出时，会存在着空气脉冲压力过大而导致中空纤维被损坏的问题，因此，本发明中的结构中通过在滤出气出口管11和中空纤维束10之间的管路上设第一腔室14，当突然增加反吹气时，气压过大会压迫第一弹性板18，第一弹性板18会向第一腔室13的内部运动，实现了暂时性的防止气压过大增长导致了中空纤维束10的损坏，同时由于第一腔室14的内部压力增大，并且第一腔室13上设有第二单向阀21，会使第一腔室13内部的压力向壳体9中传输，进一步地提高了壳体9中的压力，由于第二腔室14上设有第三单向阀22，会使壳体9中的压力向第二腔室14中释放，会使第二腔室14中的压力提高，由于第二腔室14的上部设有第二弹性板19，会使第二弹性板19向上发生形变，进而通过第二连接杆16拉动固定板17向上震动，由于固定板17上连接有中空纤维束10，会使得中空纤维束出现了迅速的一个振动，使其外表面积累的灰尘发生松动，易于被反吹气清除，而当第二腔室14中气压增高后，会使其中的气体压力又通过第四单向阀23返回至壳体9，并且再进而向第二单向阀21向第一腔室13中排出，实现了一个气压的缓冲循环，防止了滤出气出口管11的气体的瞬间快速进入，当形成了这个循环之后，滤出气出口管11的空气开始进入中空纤维束10中，也就是说，先通过了第一腔室13和第二腔室14之间的气体缓冲连动的过程，先实现了对反冲气的缓冲防止破坏中空纤维，并实现了利用这个缓冲作用来振动中空纤维束10，达到预先松动外表面灰尘的作用后，再进行正式的反吹气的清除表面灰尘的效果，清除的灰尘会落入灰尘接收槽24。
Claims (10)
1.一种质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括夹板（2）和上夹板（3），在下夹板（2）和上夹板（3）之间安装有相互层叠的多块燃料电池板（1），并且下夹板（2）和上夹板（3）之间通过固定杆（7）进行紧固；在相邻的燃料电池板（1）之间设有温度传感器（4）；质子交换膜燃料电池上还设有氢气进口管（5）和空气进口管（6），分别用于向燃料电池板（1）中输入氢气和氧气。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，温度传感器（4）的数量为多个。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池，其特征在于，温度传感器（4）的型号为PT100温度传感器。
4.一种燃料电池成套设备，其特征在于，包括权利要求1～3任一项所述的质子交换膜燃料电池，温度传感器（4）通过单片机与无线传输模块连接，无线传输模块将温度传感器（4）采集到的数值通过无线网络发送至无线接收模块；无线接收模块与中央处理单元连接，中央处理单元还连接在比对单元，比对单元用于对采集的温度数值与标准值进行对比，若不在阈值范围内时，则通知中央处理单元，中央处理单元命令报警单元发出声音。
5.根据权利要求4所述的燃料电池成套设备，其特征在于，所述的无线网络是蓝牙、WIFI、GPRS或者Zigbee网络。
6.根据权利要求4所述的燃料电池成套设备，其特征在于，中央处理单元还与显示面板连接，用于将采集到的温度数值在显示面板上进行显示。
7.根据权利要求4所述的燃料电池成套设备，其特征在于，还包括空气过滤器，用于对进入燃料电池的空气进行过滤去除灰尘。
8.根据权利要求7所述的燃料电池成套设备，其特征在于，所述的空气过滤器包括：壳体（9），在壳体（9）上设置滤出气出口管（11）和空气入口（12），在壳体（9）内还装填有中空纤维束（10），空气入口（12）连通于中空纤维束（10）外部，滤出气出口管（11）连通于中空纤维束（10）的管内，中空纤维束（10）用于对空气进行过滤去除灰尘；在滤出气出口管（11）与中空纤维束（10）之间的管路的一侧还设有第一腔室（13），第一腔室（13）的一侧为第一弹性板（18），第一弹性板（18）位于滤出气出口管（11）与中空纤维束（10）之间的管路上，在第一腔室（13）内部还设第一连接杆（15），第一连接杆（15）一端连接于第一弹性板（18），另一端穿过第一腔室（13），在第一腔室（13）与壳体（9）的内腔相邻的一侧还分别设第一单向阀（20）和第二单向阀（21），第一单向阀（20）只能向壳体（9）的内腔开启，第二单向阀（21）只能向第一腔室（13）开启；在壳体（9）的内腔中还设有第二腔室（14），第二腔室（14）的一侧为第二弹性板（19），第二腔室（14）的内部还设有第二连接杆（16），第二连接杆（16）的一端连接于第二弹性板（19），另一端穿过第二腔室（13），并且在另一端上还设有固定板（17），在第二腔室（14）与壳体（9）的内腔相邻的一侧还分别设第三单向阀（22）和第四单向阀（23），第三单向阀（22）只能向第二腔室（14）开启，第四单向阀（23）只能向壳体（9）的内腔开启；中空纤维束（10）的一端与滤出气出口管（11）连通且另一端固定于固定板（17）。
9.根据权利要求8所述的燃料电池成套设备，其特征在于，在壳体（9）的底部还设有灰尘接收槽（24），用于接收截留的灰尘。
10.权利要求4所述的燃料电池成套设备的自动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过氢气进口管（5）和空气进口管（6）分别向燃料电池板（1）中供入氢气和氧气，使燃料电池板（1）产生电能；
通过温度传感器（4）获取燃料电池板（1）上的运行温度，并将采集到的温度数据传输至中央处理单元，中央处理单元将温度数据与标准值进行对比，若不在阈值范围内时，则通知中央处理单元，中央处理单元命令报警单元发出声音；
通过空气过滤器（8）对进入空气进口管（6）的空气进行过滤处理。
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