CN109962265B - 氢燃料电池的电堆装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种氢燃料电池的电堆装置及其控制方法，所述电堆装置包括：电堆本体、进气控制单元、排气控制单元；所述电堆本体设有进气口、排气口，进气口连接进气控制单元，排气口连接排气控制单元；进气控制单元连接制氢机；所述进气控制单元包括第一控制装置、第一智能压力传感器、第一电磁阀，第一控制装置分别连接第一智能压力传感器、第一电磁阀；所述排气控制单元包括第二控制装置、第二智能压力传感器、第二电磁阀，第二控制装置分别连接第二智能压力传感器、第二电磁阀。本发明提出的氢燃料电池的电堆装置，可改善电堆内部气压不足的现象，做到电堆内部自身耗氢与内部均压的目的。同时也不会出现低压报警现象。

Description

氢燃料电池的电堆装置及其控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种氢燃料电池，尤其涉及一种氢燃料电池的电堆装置及其控制方法。
背景技术
氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。
如图1所示，现有氢燃料电池，在电堆的出气口连接有排气阀，进气口连接电磁阀，排气阀、电磁阀连接电堆主板。现有控制方式是控制A点(进气口压力，如设定为60KPa，超过60KPa排气)，将排气阀的排气压力设定为36KPa～55KPa，达到控制电堆的内部压力在36KPa～55KPa之间，当系统检测到连续出现三次低压报警时(气压低于10KPa)，系统会强行关闭，影响系统的工作效率。
有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的燃料电池，以便克服现有燃料电池结构存在的上述缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种氢燃料电池的电堆装置及其控制方法，可改善电堆内部气压不足的现象，做到电堆内部自身耗氢与内部均压的目的。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种氢燃料电池的电堆装置，所述电堆装置包括：电堆本体、进气控制单元、排气控制单元；
所述电堆本体设有进气口、排气口，进气口连接进气控制单元，排气口连接排气控制单元；进气控制单元连接制氢机；
所述进气控制单元包括第一控制装置、第一智能压力传感器、第一电磁阀，第一控制装置分别连接第一智能压力传感器、第一电磁阀；
所述排气控制单元包括第二控制装置、第二智能压力传感器、第二电磁阀，第二控制装置分别连接第二智能压力传感器、第二电磁阀；
所述第二电磁阀包括第二电磁阀正极、第二电磁阀负极，第二控制装置包括第二控制装置正极、第二控制装置负极、第三端口；
所述第二控制装置正极连接第二电磁阀正极、电源正极，第二控制装置负极连接第二电磁阀负极，第二控制装置的第三端口连接电源负极；
所述第二控制装置包括第二控制器、第二显示屏，第二控制器连接第二显示屏；
所述第一电磁阀包括第一电磁阀正极、第一电磁阀负极，第一控制装置包括第一控制装置正极、第一控制装置负极、第三端口；
所述第一控制装置正极连接第一电磁阀正极、电源正极，第一控制装置负极连接第一电磁阀负极，第一控制装置的第三端口连接电源负极；
所述第一控制装置包括第一控制器、第一显示屏，第一控制器连接第一显示屏。
一种氢燃料电池的电堆装置，所述电堆装置包括：电堆本体、进气控制单元、排气控制单元；
所述电堆本体设有进气口、排气口，进气口连接进气控制单元，排气口连接排气控制单元；进气控制单元连接制氢机；
所述进气控制单元包括第一控制装置、第一智能压力传感器、第一电磁阀，第一控制装置分别连接第一智能压力传感器、第一电磁阀；
所述排气控制单元包括第二控制装置、第二智能压力传感器、第二电磁阀，第二控制装置分别连接第二智能压力传感器、第二电磁阀。
作为本发明的一种实施方式，所述第二电磁阀包括第二电磁阀正极、第二电磁阀负极，第二控制装置包括第二控制装置正极、第二控制装置负极、第三端口；
所述第二控制装置正极连接第二电磁阀正极、电源正极，第二控制装置负极连接第二电磁阀负极，第二控制装置的第三端口连接电源负极。
作为本发明的一种实施方式，所述第二控制装置包括第二控制器、第二显示屏，第二控制器连接第二显示屏。
作为本发明的一种实施方式，所述第一电磁阀包括第一电磁阀正极、第一电磁阀负极，第一控制装置包括第一控制装置正极、第一控制装置负极、第三端口；
所述第一控制装置正极连接第一电磁阀正极、电源正极，第一控制装置负极连接第一电磁阀负极，第一控制装置的第三端口连接电源负极。
作为本发明的一种实施方式，所述第一控制装置包括第一控制器、第一显示屏，第一控制器连接第一显示屏。
一种上述的氢燃料电池的电堆装置的控制方法，所述控制方法包括：
在氢燃料电池电堆启动过程中，所述第一控制装置与第二控制装置上电，第一智能压力传感器与第二智能压力传感器实时监测所在节点的气压参数并显示到相应智能控制器的显示屏上；启动过程第一控制装置会根据预先设定的运行气压进行智能控制，第二控制装置不动作；第一控制装置通过第一智能压力传感器反馈的气压参数来打开/关闭第一电磁阀，从而调节氢气进入电堆的压力，使电堆进气压力保持在设定值,避免进气压力不足；
在氢燃料电池电堆启动完成后，第一控制装置与第二控制装置同时开始作用，第一控制装置还是根据预先设定的运行气压进行智能控制，第二控制装置则根据预先设定的第二运行气压范围进行智能控制，在通过第二控制装置排出电堆运行产生得水和废气之外同时又能保持电堆内部运行气压稳定在设定第二运行气压范围之间，避免低压报警现象出现。
作为本发明的一种实施方式，预先设定的运行气压为60KPa。
作为本发明的一种实施方式，第一控制装置通过第一智能压力传感器反馈的气压参数以ms级响应速度的来打开/关闭第一电磁阀
作为本发明的一种实施方式，预先设定的第二运行气压范围为36-55KPa。
本发明的有益效果在于：本发明提出的氢燃料电池的电堆装置，可改善电堆内部气压不足的现象，做到电堆内部自身耗氢与内部均压的目的。同时也不会出现低压报警现象。排气次数与电堆使用是一致的安培积分参数(电流对时间的积分)时，35KPa排气时间与阀体流量和电堆使用排气量是一致的，可以适当调节35KPa的设定值来调节排气流量或调节排气时间来调节排气量(如2.5s、5s、25s)，使其与电堆使用一致。
附图说明
图1为现有氢燃料电池的电堆装置的组成示意图。
图2为本发明一实施例中氢燃料电池的电堆装置的组成示意图。
图3为本发明一实施例中氢燃料电池的电堆装置的组成示意图。
图4为本发明一实施例中氢燃料电池中进、排气控制单元的微处理器电路图。
图5为本发明一实施例中氢燃料电池中排气控制单元的控制示意图。
图6为本发明一实施例中氢燃料电池中排气控制单元电磁阀控制电路的电路示意图。
图7为本发明一实施例中氢燃料电池中进气控制单元的控制示意图。
图8为本发明一实施例中氢燃料电池中进气控制单元的传感器电路的电路示意图。
图9为本发明一实施例中氢燃料电池进气控制单元的传感器信号监测电路的电路示意图。
图10为本发明一实施例中氢燃料电池中进气控制单元电磁阀控制电路的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
本发明揭示了一种氢燃料电池的电堆装置，图2为本发明一实施例中氢燃料电池的电堆装置的组成示意图；请参阅图2，在本发明的一实施例中，所述电堆装置包括：电堆本体3、进气控制单元2、排气控制单元4；所述电堆本体3设有进气口、排气口，进气口连接进气控制单元2，排气口连接排气控制单元4；进气控制单元2连接制氢机1。
图3为本发明一实施例中氢燃料电池的电堆装置的组成示意图；请参阅图3，在本发明的一实施例中，所述进气控制单元2包括第一控制装置23、第一智能压力传感器21、第一电磁阀22，第一控制装置23分别连接第一智能压力传感器21、第一电磁阀22。所述排气控制单元4包括第二控制装置43、第二智能压力传感器41、第二电磁阀42，第二控制装置43分别连接第二智能压力传感器41、第二电磁阀42。
图4为本发明一实施例中氢燃料电池中进、排气控制单元的微处理器电路图；请参阅图4，在本发明的一实施例中，氢燃料电池中进气控制单元及排气控制单元的微处理器的型号可以为STM32F105VCT6。
图5为本发明一实施例中氢燃料电池中排气控制单元的控制示意图；请参阅图5，在本发明的一实施例中，所述第二电磁阀42包括第二电磁阀正极、第二电磁阀负极，第二控制装置43包括第二控制装置正极、第二控制装置负极、第三端口。所述第二控制装置43的正极连接第二电磁阀42的正极、电源正极，第二控制装置43的负极连接第二电磁阀42的负极，第二控制装置43的第三端口连接电源负极。所述第二控制装置43包括第二控制器、第二显示屏，第二控制器连接第二显示屏。
图6为本发明一实施例中氢燃料电池中排气控制单元电磁阀控制电路的电路示意图；请参阅图6，在本发明的一实施例中，排气控制单元的电磁阀控制电路包括第十八芯片U18、第五三极管Q5、第六二二极管D62、第三六电阻R36、第四四电阻R44、第一一零电阻R110、第一一六电阻R116；第十八芯片U18的型号可以为TLP185(SE。第十八芯片U18的A管脚通过第一一零电阻R110连接5V电源电压，第十八芯片U18的Ca管脚连接第五三极管Q5的集电极，第五三极管Q5的基极分别连接第三六电阻R36的第二端、第四四电阻R44的第一端，第五三极管Q5的发射极、第四四电阻R44的第二端分别接地。第十八芯片U18的Co管脚连接12V电源电压，第十八芯片U18的E管脚连接第一一六电阻R116的第一端，第一一六电阻R116的第二端连接第六二二极管D62的正极，第六二二极管D62的负极接地。各元件的连接关系可参阅图6的描述。
图7为本发明一实施例中氢燃料电池中进气控制单元控制示意图；请参阅图7，在本发明的一实施例中，所述第一电磁阀22包括第一电磁阀正极、第一电磁阀负极，第一控制装置23包括第一控制装置正极、第一控制装置负极、第三端口；所述第一控制装置23的正极连接第一电磁阀正极、电源正极，第一控制装置23的负极连接第一电磁阀负极，第一控制装置23的第三端口连接电源负极。所述第一控制装置23包括第一控制器、第一显示屏，第一控制器连接第一显示屏。
图8为本发明一实施例中氢燃料电池中进气控制单元的传感器电路的电路示意图；请参阅图8，在本发明的一实施例中，传感器电路包括传感器芯片(型号可以为MPX4080D)、若干电容、若干电阻。传感器芯片的Vout管脚分别连接第一电容C1的第一端、第一电阻R1的第一端；第一电阻R1的第二端分别连接第七电阻R7的第一端、第二零零电阻R200的第一端、第二零一电阻R201的第一端；第一电容C1的第二端、第七电阻R7的第二端分别接地。传感器芯片的Vs管脚分别连接第十电容C10的第一端、第二电容C2的第一端、5V电源电压；第十电容C10的第二端接地，第二电容C2的第二端接地。各元件的连接关系可参阅图8的描述。
图9为本发明一实施例中氢燃料电池进气控制单元的传感器信号监测电路的电路示意图；请参阅图9，在本发明的一实施例中，传感器信号监测电路包括第十六TVS二极管TVS16、第六五电容C65、第七五电容C75、第一九四电阻R194。第十六TVS二极管TVS16的第一端分别连接第一九四电阻R194的第二端、第六五电容C65的第一端、第七五电容C75的第一端，第十六TVS二极管TVS16的第二端、第六五电容C65的第二端、第七五电容C75的第二端分别接地。各元件的连接关系可参阅图9的描述。
图10为本发明一实施例中氢燃料电池中进气控制单元电磁阀控制电路的电路示意图；请参阅图10，在本发明的一实施例中，电磁阀控制电路包括第十八芯片U18、第十六B芯片U16B、第六三极管Q6、第六二二极管D62、第三七电阻R37、第四五电阻R45、第一一六电阻R116；第十八芯片U18的型号可以为TLP185(SE，第十六B芯片U16B的型号可以为ITS716G。第十八芯片U18的E管脚连接第十六B芯片U16B的IN3管脚。各元件的连接关系可参阅图10的描述。在本发明的一实施例中，进气控制单元电磁阀控制电路与排气控制单元电磁阀控制电路有部分电路是共用的，如图6、图10所示。
本发明还揭示一种上述的氢燃料电池的电堆装置的控制方法，所述控制方法包括：在氢燃料电池电堆启动过程中，所述第一控制装置与第二控制装置上电，第一智能压力传感器与第二智能压力传感器实时监测所在节点的气压参数并显示到相应智能控制器的显示屏上；启动过程第一控制装置会根据预先设定的运行气压进行智能控制，第二控制装置不动作；第一控制装置通过第一智能压力传感器反馈的气压参数来打开/关闭第一电磁阀，从而调节氢气进入电堆的压力，使电堆进气压力保持在设定值,避免进气压力不足。在氢燃料电池电堆启动完成后，第一控制装置与第二控制装置同时开始作用，第一控制装置还是根据预先设定的运行气压进行智能控制，第二控制装置则根据预先设定的第二运行气压范围进行智能控制，在通过第二控制装置排出电堆运行产生得水和废气之外同时又能保持电堆内部运行气压稳定在设定第二运行气压范围之间，避免低压报警现象出现。
在本发明的一实施例中，在氢燃料电池电堆启动过程中，所述第一控制装置23与第二控制装置43上电，第一智能压力传感器21与第二智能压力传感器41实时监测所在节点的气压参数并显示到相应智能控制器的显示屏上。启动过程第一控制装置23会根据预先设定的运行气压(60KPa)进行智能控制，第二控制装置43不动作。第一控制装置23通过第一智能压力传感器21反馈的气压参数以ms级响应速度的来打开/关闭第一电磁阀22，从而调节氢气进入电堆的压力，使电堆进气压力保持在60KPa,避免进气压力不足。
在氢燃料电池电堆启动完成后，第一控制装置23与第二控制装置43同时开始作用，第一控制装置23还是根据预先设定的运行气压(60KPa)进行智能控制，第二控制装置43则根据预先设定的运行气压(36-55KPa)范围进行智能控制，在通过第二控制装置43排出电堆运行产生得水和废气之外同时又能保持电堆内部运行气压稳定在36～55Kpa之间，避免低压报警现象出现。
综上所述，本发明提出的氢燃料电池的电堆装置，可改善电堆内部气压不足的现象，做到电堆内部自身耗氢与内部均压的目的。同时也不会出现低压报警现象。排气次数与电堆使用是一致的安培积分参数(电流对时间的积分)时，35KPa排气时间与阀体流量和电堆使用排气量是一致的，可以适当调节35KPa的设定值来调节排气流量或调节排气时间来调节排气量(如2.5s、5s、25s)，使其与电堆使用一致。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池的电堆装置，其特征在于，所述电堆装置包括：电堆本体、进气控制单元、排气控制单元；
所述电堆本体设有进气口、排气口，进气口连接进气控制单元，排气口连接排气控制单元；进气控制单元连接制氢机；
所述进气控制单元包括第一控制装置、第一智能压力传感器、第一电磁阀，第一控制装置分别连接第一智能压力传感器、第一电磁阀；
所述排气控制单元包括第二控制装置、第二智能压力传感器、第二电磁阀，第二控制装置分别连接第二智能压力传感器、第二电磁阀；
所述第二电磁阀包括第二电磁阀正极、第二电磁阀负极，第二控制装置包括第二控制装置正极、第二控制装置负极、第三端口；
所述第二控制装置正极连接第二电磁阀正极、电源正极，第二控制装置负极连接第二电磁阀负极，第二控制装置的第三端口连接电源负极；
所述第二控制装置包括第二控制器、第二显示屏，第二控制器连接第二显示屏；
所述第一电磁阀包括第一电磁阀正极、第一电磁阀负极，第一控制装置包括第一控制装置正极、第一控制装置负极、第三端口；
所述第一控制装置正极连接第一电磁阀正极、电源正极，第一控制装置负极连接第一电磁阀负极，第一控制装置的第三端口连接电源负极；
所述第一控制装置包括第一控制器、第一显示屏，第一控制器连接第一显示屏；
在氢燃料电池电堆启动过程中，所述第一控制装置与第二控制装置上电，第一智能压力传感器与第二智能压力传感器实时监测所在节点的气压参数并显示到相应智能控制器的显示屏上；启动过程第一控制装置会根据预先设定的运行气压进行智能控制，第二控制装置不动作；第一控制装置通过第一智能压力传感器反馈的气压参数来打开/关闭第一电磁阀，从而调节氢气进入电堆的压力，使电堆进气压力保持在设定值,避免进气压力不足；
在氢燃料电池电堆启动完成后，第一控制装置与第二控制装置同时开始作用，第一控制装置还是根据预先设定的运行气压进行智能控制，第二控制装置则根据预先设定的第二运行气压范围进行智能控制，在通过第二控制装置排出电堆运行产生得水和废气之外同时又能保持电堆内部运行气压稳定在设定第二运行气压范围之间，避免低压报警现象出现。
2.一种氢燃料电池的电堆装置，其特征在于，所述电堆装置包括：电堆本体、进气控制单元、排气控制单元；
所述电堆本体设有进气口、排气口，进气口连接进气控制单元，排气口连接排气控制单元；进气控制单元连接制氢机；
所述进气控制单元包括第一控制装置、第一智能压力传感器、第一电磁阀，第一控制装置分别连接第一智能压力传感器、第一电磁阀；
所述排气控制单元包括第二控制装置、第二智能压力传感器、第二电磁阀，第二控制装置分别连接第二智能压力传感器、第二电磁阀；
在氢燃料电池电堆启动过程中，所述第一控制装置与第二控制装置上电，第一智能压力传感器与第二智能压力传感器实时监测所在节点的气压参数并显示到相应智能控制器的显示屏上；启动过程第一控制装置会根据预先设定的运行气压进行智能控制，第二控制装置不动作；第一控制装置通过第一智能压力传感器反馈的气压参数来打开/关闭第一电磁阀，从而调节氢气进入电堆的压力，使电堆进气压力保持在设定值,避免进气压力不足；
在氢燃料电池电堆启动完成后，第一控制装置与第二控制装置同时开始作用，第一控制装置根据预先设定的运行气压进行智能控制，第二控制装置则根据预先设定的第二运行气压范围进行智能控制，在通过第二控制装置排出电堆运行产生得水和废气之外同时又能保持电堆内部运行气压稳定在设定第二运行气压范围之间，避免低压报警现象出现。
3.根据权利要求2所述的氢燃料电池的电堆装置，其特征在于：
所述第二电磁阀包括第二电磁阀正极、第二电磁阀负极，第二控制装置包括第二控制装置正极、第二控制装置负极、第三端口；
所述第二控制装置正极连接第二电磁阀正极、电源正极，第二控制装置负极连接第二电磁阀负极，第二控制装置的第三端口连接电源负极。
4.根据权利要求3所述的氢燃料电池的电堆装置，其特征在于：
所述第二控制装置包括第二控制器、第二显示屏，第二控制器连接第二显示屏。
5.根据权利要求2所述的氢燃料电池的电堆装置，其特征在于：
所述第一电磁阀包括第一电磁阀正极、第一电磁阀负极，第一控制装置包括第一控制装置正极、第一控制装置负极、第三端口；
所述第一控制装置正极连接第一电磁阀正极、电源正极，第一控制装置负极连接第一电磁阀负极，第一控制装置的第三端口连接电源负极。
6.根据权利要求5所述的氢燃料电池的电堆装置，其特征在于：
所述第一控制装置包括第一控制器、第一显示屏，第一控制器连接第一显示屏。
7.一种权利要求1至6任一所述的氢燃料电池的电堆装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
在氢燃料电池电堆启动过程中，所述第一控制装置与第二控制装置上电，第一智能压力传感器与第二智能压力传感器实时监测所在节点的气压参数并显示到相应智能控制器的显示屏上；启动过程第一控制装置会根据预先设定的运行气压进行智能控制，第二控制装置不动作；第一控制装置通过第一智能压力传感器反馈的气压参数来打开/关闭第一电磁阀，从而调节氢气进入电堆的压力，使电堆进气压力保持在设定值,避免进气压力不足；
在氢燃料电池电堆启动完成后，第一控制装置与第二控制装置同时开始作用，第一控制装置还是根据预先设定的运行气压进行智能控制，第二控制装置则根据预先设定的第二运行气压范围进行智能控制，在通过第二控制装置排出电堆运行产生得水和废气之外同时又能保持电堆内部运行气压稳定在设定第二运行气压范围之间，避免低压报警现象出现。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：
预先设定的运行气压为60KPa。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：
第一控制装置通过第一智能压力传感器反馈的气压参数以ms级响应速度的来打开/关闭第一电磁阀。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：
预先设定的第二运行气压范围为36-55KPa。
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