CN109994758A - 能维持电堆压力平衡的发电系统及发电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种能维持电堆压力平衡的发电系统及发电控制方法，发电系统包括水氢机、缓冲罐、压力平衡控制装置、进气电磁阀、氢燃料电池、排气电磁阀；所述水氢机利用甲醇水重整制备氢气，将制备的氢气输送至缓冲罐；缓冲罐通过管路连接压力平衡控制装置，压力平衡控制装置连接氢燃料电池的进气口；氢燃料电池的进气口、出气口分别设有进气电磁阀、排气电磁阀；压力平衡控制装置包括保护装置、控制芯片、控制装置，控制装置分别连接保护装置、控制芯片；控制装置包括电动控制阀、压力检测比例阀，电动控制阀连接压力检测比例阀。本发明提出的能维持电堆压力平衡的发电系统，可控制排气过程中的最低气压，同时吹扫力度更强，连续发电时间更长。

Description

能维持电堆压力平衡的发电系统及发电控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池，尤其涉及一种能维持电堆压力平衡的发电系统及发电控制方法。

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。

氢燃料电池在使用中会消耗氢气，同时燃料电池发电的产物是水，为了保证长时间发电，燃料电池需要对产物水及阴极渗透到阳极的气体进行吹扫。常规吹扫过冲中存在电堆压力下降到30～40KPa，会影响发电效率及持续发电时间。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的燃料电池发电系统，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：提供一种能维持电堆压力平衡的发电系统及发电控制方法，可控制排气过程中的最低气压，同时吹扫力度更强，连续发电时间更长。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种能维持电堆压力平衡的发电系统，所述发电系统包括：水氢机、缓冲罐、压力平衡控制装置、进气电磁阀、氢燃料电池、排气电磁阀；

所述水氢机、缓冲罐、压力平衡控制装置、进气电磁阀、氢燃料电池、排气电磁阀依次通过管路连接；

所述水氢机利用甲醇水重整制备氢气，将制备的氢气输送至缓冲罐；缓冲罐通过管路连接压力平衡控制装置，压力平衡控制装置连接氢燃料电池的进气口；氢燃料电池的进气口、出气口分别设有进气电磁阀、排气电磁阀；

所述压力平衡控制装置包括保护装置、控制芯片、控制装置，控制装置分别连接保护装置、控制芯片；所述控制装置在所述控制芯片的控制下开启或关闭。

作为本发明的一种优选方案，所述控制装置包括电动控制阀、压力检测比例阀，电动控制阀连接压力检测比例阀。保护装置连接压力检测比例阀，压力检测比例阀再反馈开关量信号给控制芯片，控制芯片来控制电动控制阀，最终电动控制阀再连接进气电磁阀。

作为本发明的一种优选方案，所述控制芯片包括第七芯片U7，第七芯片U7的型号为stm32f105。

作为本发明的一种优选方案，所述控制芯片还连接电动控制阀控制电路、比例阀信号反馈电路；电动控制阀控制电路连接电动控制阀，向电动控制阀发送控制信号；比例阀信号反馈电路连接压力检测比例阀，获取压力检测比例阀检测到的信号，并将该信号反馈至控制芯片；

所述电动控制阀控制电路包括第二九芯片U29、第四八二极管D48、第四九二极管D49、第一一一电阻R111、第一一三电阻R113、第一一七电阻R117；第二九芯片U29的第四管脚G管脚分别连接第一一三电阻R113的第二端、第一一七电阻R117的第一端，第一一七电阻R117的第二端、第二九芯片U29的第一管脚S管脚、第二九芯片U29的第二管脚S管脚、第二九芯片U29的第三管脚S管脚分别接地；第二九芯片U29的第五管脚D管脚、第二九芯片U29的第六管脚D管脚、第二九芯片U29的第七管脚D管脚、第二九芯片U29的第八管脚D管脚分别连接第四八二极管D48的正极、第四九二极管D49的负极；第四八二极管D48的负极、第四九二极管D49的正极分别连接24V电源电压；

所述比例阀信号反馈电路包括第三五芯片U35、第三四二极管D34、第五二电容C52、第五三电容C53、第一六三电阻R163、第一六六电阻R166。第三五芯片U35的Co管脚连接3.3V电源电压，第三五芯片U35的A管脚连接第一六六电阻R166的第一端，第一六六电阻R166的第二端连接5V电源电压；第三五芯片U35的E管脚连接第一六三电阻R163的第一端，第一六三电阻R163的第二端接地；第三五芯片U35的Ca管脚分别连接第五二电容C52的第一端、第五三电容C53的第一端、第三四二极管D34的正极，第五二电容C52的第二端、第五三电容C53的第二端分别接地。

作为本发明的一种优选方案，所述第二九芯片U29的型号为IRF7842PBF。

一种上述的能维持电堆压力平衡的发电系统的发电控制方法，所述发电控制方法包括：

在发电系统工作过程中，氢气输送至缓冲罐并对其吹扫，吹扫完后氢气通过管路进入压力平衡控制装置后再通过进气电磁阀进入氢燃料电池进行反应；

发电系统运行时，进气端的压力平衡控制装置通过智能控制使进气端的气体压力保持在设定值，而排气电磁阀则是根据燃料电池中电化学反应的电流积分值进行打开关闭，电流对时间的积分值∫Adt达到设定值排气电磁阀打开并清零电流积分值并进行下一周期的积分值计算；

在排气的瞬间，缓冲罐与压力平衡控制装置的配合能及时补充电堆排气时瞬间排出的大量气体，保持电堆腔体的压力平衡，同时由于缓冲罐的存在能使电堆在排除电堆内部废气和水的力度更强，保证电堆不会积水，使系统更加稳定。

作为本发明的一种优选方案，电流对时间的积分值∫Adt达到的设定值为2300Amp·Seconds。

本发明的有益效果在于：本发明提出的能维持电堆压力平衡的发电系统及发电控制方法，可控制排气过程中的最低气压，同时吹扫力度更强，连续发电时间更长。

附图说明

图1为本发明一实施例中发电系统的组成示意图。

图2为本发明一实施例中发电系统的保护装置结构图。

图3为本发明一实施例中发电系统的压力平衡控制装置控制芯片电路图。

图4为本发明一实施例中发电系统的压力平衡控制装置电动控制阀控制电路的电路示意图。

图5为本发明一实施例中发电系统的压力平衡控制装置的比例阀信号反馈电路的电路示意图。

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。

本发明揭示了一种能维持电堆压力平衡的发电系统，图1为本发明一实施例中发电系统的组成示意图；请参阅图1，所述发电系统包括：水氢机1、缓冲罐2、压力平衡控制装置3、进气电磁阀4、氢燃料电池5、排气电磁阀6。所述水氢机1、缓冲罐2、压力平衡控制装置3、进气电磁阀4、氢燃料电池5、排气电磁阀6依次通过管路连接。

所述水氢机1利用甲醇水重整制备氢气，将制备的氢气输送至缓冲罐2；缓冲罐2通过管路连接压力平衡控制装置3，压力平衡控制装置3连接氢燃料电池5的进气口；氢燃料电池5的进气口、出气口分别设有进气电磁阀4、排气电磁阀5。

所述压力平衡控制装置3包括保护装置31、控制芯片33、控制装置32，控制装置32分别连接保护装置31、控制芯片33；所述控制装置32在所述控制芯片33的控制下开启或关闭。

在本发明的一实施例中，所述控制装置32包括电动控制阀、压力检测比例阀，电动控制阀连接压力检测比例阀；保护装置31连接压力检测比例阀，压力检测比例阀再反馈开关量信号给控制芯片33，控制芯片33来控制电动控制阀32，最终电动控制阀32再连接进气电磁阀4。

图2为本发明一实施例中发电系统的保护装置结构图；请参阅图2，在本发明的一实施例中，保护装置的结构如图2所示。

图3为本发明一实施例中发电系统的压力平衡控制装置控制芯片电路图；请参阅图3，在本发明的一实施例中，压力平衡控制装置控制芯片包括第七芯片U7、若干电容、部分电阻。在本发明的一实施例中，第七芯片U7的型号可以为stm32f105。

所述控制芯片33还连接电动控制阀控制电路、比例阀信号反馈电路。电动控制阀控制电路连接电动控制阀，向电动控制阀发送控制信号；比例阀信号反馈电路连接压力检测比例阀，获取压力检测比例阀检测到的信号，并将该信号反馈至控制芯片33。

图4为本发明一实施例中发电系统的压力平衡控制装置电动控制阀控制电路的电路示意图；请参阅图4，在本发明的一实施例中，电动控制阀控制电路包括第二九芯片U29、第四八二极管D48、第四九二极管D49、第一一一电阻R111、第一一三电阻R113、第一一七电阻R117。在本发明的一实施例中，第二九芯片U29的型号可以为IRF7842PBF。第二九芯片U29的第四管脚G管脚分别连接第一一三电阻R113的第二端、第一一七电阻R117的第一端，第一一七电阻R117的第二端、第二九芯片U29的第一管脚S管脚、第二九芯片U29的第二管脚S管脚、第二九芯片U29的第三管脚S管脚分别接地；第二九芯片U29的第五管脚D管脚、第二九芯片U29的第六管脚D管脚、第二九芯片U29的第七管脚D管脚、第二九芯片U29的第八管脚D管脚分别连接第四八二极管D48的正极、第四九二极管D49的负极；第四八二极管D48的负极、第四九二极管D49的正极分别连接24V电源电压。

图5为本发明一实施例中发电系统的压力平衡控制装置的比例阀信号反馈电路的电路示意图；请参阅图5，在本发明的一实施例中，比例阀信号反馈电路包括第三五芯片U35、第三四二极管D34、第五二电容C52、第五三电容C53、第一六三电阻R163、第一六六电阻R166。第三五芯片U35的Co管脚连接3.3V电源电压，第三五芯片U35的A管脚连接第一六六电阻R166的第一端，第一六六电阻R166的第二端连接5V电源电压；第三五芯片U35的E管脚连接第一六三电阻R163的第一端，第一六三电阻R163的第二端接地；第三五芯片U35的Ca管脚分别连接第五二电容C52的第一端、第五三电容C53的第一端、第三四二极管D34的正极，第五二电容C52的第二端、第五三电容C53的第二端分别接地。

本发明还揭示一种上述的能维持电堆压力平衡的发电系统的发电控制方法，所述发电控制方法包括：

在发电系统工作过程中，氢气输送至缓冲罐2并对其吹扫，吹扫完后氢气通过管路进入压力平衡控制装置3后再通过进气电磁阀4进入氢燃料电池5进行反应。

发电系统运行时，进气端的压力平衡控制装置3通过智能控制使进气端的气体压力保持在设定值，而排气电磁阀5则是根据燃料电池中电化学反应的电流积分值进行打开关闭，电流对时间的积分值∫Adt达到设定值(在本发明的一实施例中，该设定值可以为2300Amp·Seconds)时排气电磁阀5打开并清零电流积分值并进行下一周期的积分值计算。

在排气的瞬间，缓冲罐2与压力平衡控制装置3的配合能及时补充电堆排气时瞬间排出的大量气体，保持电堆腔体的压力平衡，同时由于缓冲罐的存在能使电堆在排除电堆内部废气和水的力度更强，保证电堆不会积水，使系统更加稳定。

综上所述，本发明提出的能维持电堆压力平衡的发电系统及发电控制方法，可控制排气过程中的最低气压，同时吹扫力度更强，连续发电时间更长。

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 (7)

1.一种能维持电堆压力平衡的发电系统，其特征在于，所述发电系统包括：水氢机、缓冲罐、压力平衡控制装置、进气电磁阀、氢燃料电池、排气电磁阀；

所述水氢机、缓冲罐、压力平衡控制装置、进气电磁阀、氢燃料电池、排气电磁阀依次通过管路连接；

所述水氢机利用甲醇水重整制备氢气，将制备的氢气输送至缓冲罐；缓冲罐通过管路连接压力平衡控制装置，压力平衡控制装置连接氢燃料电池的进气口；氢燃料电池的进气口、出气口分别设有进气电磁阀、排气电磁阀；

所述压力平衡控制装置包括保护装置、控制芯片、控制装置，控制装置分别连接保护装置、控制芯片；所述控制装置在所述控制芯片的控制下开启或关闭。

2.根据权利要求1所述的能维持电堆压力平衡的发电系统，其特征在于：

所述控制装置包括电动控制阀、压力检测比例阀，电动控制阀连接压力检测比例阀；保护装置连接压力检测比例阀，压力检测比例阀再反馈开关量信号给控制芯片，控制芯片来控制电动控制阀，最终电动控制阀再连接进气电磁阀。

3.根据权利要求1所述的能维持电堆压力平衡的发电系统，其特征在于：

所述控制芯片包括第七芯片U7，第七芯片U7的型号为stm32f105。

4.根据权利要求1所述的能维持电堆压力平衡的发电系统，其特征在于：

所述控制芯片还连接电动控制阀控制电路、比例阀信号反馈电路；电动控制阀控制电路连接电动控制阀，向电动控制阀发送控制信号；比例阀信号反馈电路连接压力检测比例阀，获取压力检测比例阀检测到的信号，并将该信号反馈至控制芯片；

所述电动控制阀控制电路包括第二九芯片U29、第四八二极管D48、第四九二极管D49、第一一一电阻R111、第一一三电阻R113、第一一七电阻R117；第二九芯片U29的第四管脚G管脚分别连接第一一三电阻R113的第二端、第一一七电阻R117的第一端，第一一七电阻R117的第二端、第二九芯片U29的第一管脚S管脚、第二九芯片U29的第二管脚S管脚、第二九芯片U29的第三管脚S管脚分别接地；第二九芯片U29的第五管脚D管脚、第二九芯片U29的第六管脚D管脚、第二九芯片U29的第七管脚D管脚、第二九芯片U29的第八管脚D管脚分别连接第四八二极管D48的正极、第四九二极管D49的负极；第四八二极管D48的负极、第四九二极管D49的正极分别连接24V电源电压；

所述比例阀信号反馈电路包括第三五芯片U35、第三四二极管D34、第五二电容C52、第五三电容C53、第一六三电阻R163、第一六六电阻R166。第三五芯片U35的Co管脚连接3.3V电源电压，第三五芯片U35的A管脚连接第一六六电阻R166的第一端，第一六六电阻R166的第二端连接5V电源电压；第三五芯片U35的E管脚连接第一六三电阻R163的第一端，第一六三电阻R163的第二端接地；第三五芯片U35的Ca管脚分别连接第五二电容C52的第一端、第五三电容C53的第一端、第三四二极管D34的正极，第五二电容C52的第二端、第五三电容C53的第二端分别接地。

5.根据权利要求4所述的能维持电堆压力平衡的发电系统，其特征在于：

所述第二九芯片U29的型号为IRF7842PBF。

6.一种权利要求1至5任一所述的能维持电堆压力平衡的发电系统的发电控制方法，其特征在于，所述发电控制方法包括：

在发电系统工作过程中，氢气输送至缓冲罐并对其吹扫，吹扫完后氢气通过管路进入压力平衡控制装置后再通过进气电磁阀进入氢燃料电池进行反应；

发电系统运行时，进气端的压力平衡控制装置通过智能控制使进气端的气体压力保持在设定值，而排气电磁阀则是根据燃料电池中电化学反应的电流积分值进行打开关闭，电流对时间的积分值∫Adt达到设定值排气电磁阀打开并清零电流积分值并进行下一周期的积分值计算；

在排气的瞬间，缓冲罐与压力平衡控制装置的配合能及时补充电堆排气时瞬间排出的大量气体，保持电堆腔体的压力平衡，同时由于缓冲罐的存在能使电堆在排除电堆内部废气和水的力度更强，保证电堆不会积水，使系统更加稳定。

7.根据权利要求6所述的发电控制方法，其特征在于：

电流对时间的积分值∫Adt达到的设定值为2300Amp·Seconds。