CN111525161A - 自动控制氢气量的燃料电池 - Google Patents

Abstract

自动控制氢气量的燃料电池，包括燃料电池本体、电磁阀、开关电源；还具有压力探测机构、控制电路；进氢气通道管上下端各有支管，每根支管一端分别和其中一个电磁阀门的排气端连接，两个电磁阀的进气端和三通管两端连接，三通管第三端和氢气管连接；进氢气通道管的上下部还分别有开孔，两套探测机构分别安装在两个开孔的外侧端；开关电源、控制电路安装在元件盒内并和电磁阀、压力探测机构连接。本新型尽可能防止了氢气进气通道管的上端或下端内氢气量过大，导致氢气进气通道管的上下端内氢气量不平衡、对若干单电池的发电性能带来影响，使进入若干个单电池的氢气量处于接近一致，若干单个电池的电压平衡。基于上述，本发明具有好的应用前景。

Description

自动控制氢气量的燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别是一种自动控制氢气量的燃料电池。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，其具有电能转化效率高(理论上的发电效率可达到85％～90％)以及环保等优点，因此在国防、交通、工业中均具有较为广泛的应用。燃料电池由于单个电池电压低，一般在1.2V左右，主要结构是由多只单电池串联而成，构成燃料电池电池组，电压越高串联的单只单电池只数越多。采用氢气作为燃料的燃料电池。相较于其他燃料电池，具有较高的功率密度，以及排出的副产物为水或者水蒸气，对环境没有任何污染，因此在燃料电池中应用很多。

氢燃料电池电池组在应用中，需要将氢气和空气等分别输入至每个单电池的进氢气通道及进空气通道内，在氢燃料电池组本体其他辅助设备共同作用下，直接将氢燃料中的化学能转换成电能，未反应完的氢气以及反应生成的水经排气通道排出。现有的氢燃料电池组的若干个单电池其氢气进气通道管和空气通道管，一般分别采用一根管道的方式，也就是说，若干个单电池的两个进气通道分别处于并联状态。此种方式能满足空气量的需要，但是上述结构存在一个局限，就是氢气进气通道越靠近氢气管的单个燃料电池，由于氢气流量及密度大越容易分得较多量的氢气，而越是远离氢气管的单个燃料电池分得的氢气量越少，这样由于单个电池的氢气供给量不一，会导致每单个电池之间产生的电压大小不同，单个电池电压不平衡容易造成燃料电池电池组的损坏，且存在供给氢气量过大的单个电池反应不充分造成能源浪费、燃料电池组效率降低的问题。通过在若干个单电池其氢气进气通道管上下端各并联一个阀门，然后根据进氢气管道内上下端氢气流量分别控制两只阀门的阀芯开闭程度大小(结合压力表或流量表观察流量数据)，使进入氢气进气通道内上下端氢气量接近一致，虽然能较大程度上能解决上述问题，但是，由于需要手动调节，且使用者不可能随时进行观察调节，这样，当进入的氢气因各种原因发生上下波动时，仍然会导致进入单个电池内的氢气供给量不一，进而若干单个电池电压不平衡容易造成燃料电池组的损坏。

发明内容

为了克服现有氢燃料电池因结构所限，若干个单电池并联的进氢气通道管不能有效保证进入若干单个电池内氢气量均匀的缺点，以及人为手动方式调节氢气进气通道管上下端内的氢气量会给使用者带来不便，且不能有效保证进入氢气进气通道管内氢气量稳定的弊端，本发明提供了一种将氢气进气通道管的上下端各安装了一根和氢气罐相通的支管，每根支管安装有电磁阀门，且在氢气进气通道管的上下端还安装了压力探测机构，两套压力探测机构能实时监测氢气进气通道管的上下端内的氢气量，且分别在两路控制电路作用下，能分别控制进入氢气进气通道管上下端内的氢气量处于设定的范围内，由此尽可能保证了进入若干个单电池的氢气量处于接近一致，若干单个电池电压平衡的自动控制氢气量的燃料电池。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

自动控制氢气量的燃料电池，包括具有并联进氢气通道管及并联进空气通道管的氢燃料电池组本体、电磁阀、开关电源；其特征在于还具有压力探测机构、控制电路；所述电磁阀门最少有相同的两个、压力探测机构、控制电路最少各有两套；所述进氢气通道管上下端各有支管，每根支管一端分别和其中一个电磁阀门的排气端连接，两个电磁阀的进气端和三通管的两端连接，三通管第三端和氢气管连接；所述进氢气通道管的上下部位于支管下端还分别有开孔，两套探测机构分别安装在两个开孔的外侧端；所述开关电源、控制电路安装在元件盒内；所述稳压电源的电源输出端和控制电路的电源输入端电性连接；所述两套探测机构的信号输入端和稳压电源的正极电源输出端电性连接，两套探测机构的信号输出端和两套控制电路的信号输入端分别电性连接；所述两套控制电路的电源输出端和两个电磁阀的电源输入两端分别电性连接。

进一步地，所述电磁阀是常开阀芯电磁阀。

进一步地，所述开关电源是交流转直流开关电源模块。

进一步地，所述每套压力探测机构包括筒体、活塞、弹簧、活动杆、滑动可调电阻；在筒体的外侧端有支撑板，活动杆下端安装在活塞中部上端，弹簧位于活塞上并和活塞一起位于筒体上端内，活动杆中部位于筒体上端中部的开孔内，滑动可调电阻垂直安装在支撑板前，滑动可调电阻的调节手柄侧有连动杆，连动杆和活动杆的上端安装在一起。

进一步地，所述压力探测机构的活塞外径大于筒体的内径。

进一步地，所述每套控制电路包括型号LM393的电压比较器集成电路、电阻、可调电阻、NPN三极管和继电器，其间经电路板布线连接，第一只电阻一端和电压比较器的正极电源输入端8脚、继电器正极及控制电源输入端连接，电压比较器的输出端6脚和第二只电阻一端连接，第二只另一端和NPN三极管基极连接，NPN三极管集电极和继电器负极电源输入端连接，电源比较器的负极电源输入端4脚和NPN三极管发射极、第三只电阻另一端连接，电源比较器的反向输入端2脚和第一只电阻另一端、可调电阻一端连接，可调电阻另一端和第三只电阻一端连接。

本发明有益效果是：本发明使用时，氢气罐内的氢气分别通过阀芯打开的两只电磁阀进入氢气进气通道管内，在氢燃料电池组本体其他辅助设备共同作用下，氢燃料电池组本体内的若干只单电池分别工作产生电能为用电设备供电，氢气同时进入两套压力探测机构的筒体内，氢气压力及流量大，活塞带动滑动可调电阻的手柄向上运动距离越大、其电阻值越小，氢气压力及流量小，活塞带动滑动可调电阻的手柄向下运动距离越大、其电阻值越大；在两套控制电路分别控制作用下，当氢气进气通道管的上端或下端内氢气量过大时，和上端或下端支管串联的电磁阀得电工作其内部阀芯暂时关闭，这样尽可能防止了氢气进气通道管的上端或下端内氢气量过大，导致氢气进气通道管的上下端内氢气量不平衡、对若干单电池的发电性能带来影响，尽可能保证了进入若干个单电池的氢气量处于接近一致，单个电池的电压平衡。基于上述，所以本发明具有好的应用前景。

附图说明

以下结合附图和实施例将本发明做进一步说明。

图1是本发明平面结构示意图。

图2是本发明其中一套压力探测机构的平面结构示意图。

图3是本发明电路图。

具体实施方式

图1、2中所示，自动控制氢气量的燃料电池，包括具有并联进氢气通道管1及并联进空气通道管(位于氢燃料电池组本体右后侧)等的氢燃料电池组本体2、电磁阀31及32、开关电源4，并联进空气通道管的进气端和空气罐排气端经管道及管道接头连接；还具有压力探测机构5、控制电路6；所述电磁阀门有相同的两个、压力探测机构5、控制电路6各有两套；所述并联的进氢气通道管1上下端外侧各安装了一根和氢气罐相通的支管101，每根支管101前分别和一个电磁阀门的排气端经螺纹连接，两个电磁阀31及32的进气端和一只三通管7的上下端分别经螺纹连接，三通管7中部和氢气管8经螺纹连接，氢气管8和氢气罐经管道连接；所述进氢气通道管1的上下部位于支管101下端(间隔10cm)还分别有一个内螺纹开孔，两套探测机构5分别安装在两个开孔的外侧端；所述开关电源4、控制电路6安装在元件盒9电路板上，元件盒9安装在电气控制箱内。

图1、2中所示，每套压力探测机构5包括上端为封闭式结构下端具有外螺纹进气管511的筒体51(两套探测机构5经进气管分别安装在两个开孔的外侧端)、橡胶活塞52、弹簧53、活动杆54、滑动可调电阻55；在筒体的右侧上外端有一只一体成型的矩形支撑板56，活动杆54下端经其螺纹用两只螺母安装在活塞52中部上端，弹簧53位于活塞52上端并和活塞52一起位于筒体51上端内，活动杆54中部位于筒体51上端中部的开孔内，滑动可调电阻55垂直安装在小电路板上，电路板用胶粘接在支撑板56前，滑动可调电阻55的调节手柄侧焊接有一只“]”型连动杆551，连动杆551的左侧和活动杆54的上端固定安装在一起。压力探测机构的活塞52外径略大于筒体51的内径1mm，活动杆54上下运动时，会同步带动滑动可调电阻55的调节手柄上下运动。

图3中所示，电磁阀DC及DC1是品牌正科的工作电压直流12V的常开阀芯电磁阀，功率2W。开关电源U1是品牌明纬的交流220V转12V直流开关电源模块成品，功率200W。第一套控制电路包括型号LM393的电压比较器U2，电阻R1及R2、R3，可调电阻RP1，NPN三极管Q和继电器J；其间经电路板布线连接，第一只电阻R1一端和电压比较器U2的正极电源输入端8脚、继电器J正极及控制电源输入端连接，电压比较器U2的输出端6脚和第二只电阻R3一端连接，第二只R3另一端和NPN三极管Q基极连接，NPN三极管Q集电极和继电器J负极电源输入端连接，电压比较器U2的负极电源输入端4脚和NPN三极管Q发射极、第三只电阻R2另一端连接，电压比较器U2的反向输入端2脚和第一只电阻R1另一端、可调电阻RP1一端连接，可调电阻RP1另一端和第三只电阻R2一端连接。第二套控制电路包括型号LM393的电压比较器集成电路U3，电阻R4及R5、R6，可调电阻RP2，NPN三极管Q1和继电器J1；其间经电路板布线连接，第一只电阻R4一端和电压比较器U2的正极电源输入端8脚、继电器J1正极及控制电源输入端连接，电压比较器U3的输出端6脚和第二只电阻R6一端连接，第二只R6另一端和NPN三极管Q1基极连接，NPN三极管Q1集电极和继电器J1负极电源输入端连接，电压比较器U3的负极电源输入端4脚和NPN三极管Q1发射极、第三只电阻R5另一端连接，电压比较器U3的反向输入端2脚和第一只电阻R4另一端、可调电阻RP2一端连接，可调电阻RP2另一端和第三只电阻R5一端连接。

图3中所示，稳压电源U1的电源输入端1及2脚和交流220V电源两极分别经导线连接，稳压电源U1的电源输出端3及4脚和控制电路的电源输入端电阻R1一端及电阻R2另一端、电阻R4一端及电阻R5另一端分别经导线分别连接；两套探测机构的信号输入端滑动可调电阻RP及RP3一端和稳压电源U1的正极电源输出端3脚分别经导线连接，两套探测机构的信号输出端滑动可调电阻RP及RP3另一端和两套控制电路的信号输入端电压比较器U2的同相输入端3脚、电压比较器U3的同相输入端3脚分别经导线连接；两套控制电路的电源输出端继电器J常开触点端及负极电源输入端、继电器J1常开触点端及负极电源输入端和两个电磁阀DC、DC1的电源输入两端分别经导线连接。

图1、2、3中所示，220V交流电源进入稳压电源U1的1及2脚后，稳压电源U1在其内部电路作用下其3及4脚会输出稳定的12V直流电源进入两套控制电路电源输入端，并输出12V电源正极进入两套探测机构的滑动可调电阻RP及RP3一端，于是，两套控制电路及两套探测机构的滑动可调电阻RP及RP3一端处于得电工作状态。本发明使用时，氢气罐内的氢气分别通过氢气管8、阀芯打开的两只电磁阀DC及DC1(31、32)进入进氢气通道管1内，空气罐内的空气分别经并联进空气通道管的进气管进入氢燃料电池组本体2的空气通道内，在氢燃料电池组本体其他辅助设备共同作用下，直接将氢燃料中的化学能转换成电能，氢燃料电池组本体内的若干只单电池分别工作产生电能为用电设备供电，未反应完的氢气以及反应生成的水经排气通道排出。氢气同时进入两套压力探测机构的筒体51内，氢气进气通道管1内的氢气压力及流量大，活塞52克服弹簧53的弹性作用力、经活动杆54、连动杆551带动滑动可调电阻RP及RP3(55)的手柄向上运动距离越大、滑动可调电阻RP及RP3的电阻值越小，氢气压力及流量小，活塞52在弹簧53向下作用力下带动滑动可调电阻RP及RP3的手柄向下运动距离越大、滑动可调电阻RP及RP3的电阻值越大。第一套控制电路和第一只电磁阀DC中，电压比较器U2得电工作后，其反向输入端2脚的电压由电阻R1、R2、RP1的分压而得，本实施中参考点电位为8V左右，实际情况下，当进氢气通道管1上端内的氢气压力及流量小，低于使用者设定的最高氢气流量及压力时，由于氢气压力及流量相对小，活塞52在弹簧53向下作用力下带动滑动可调电阻RP的手柄向下运动距离相对越大、其电阻值相对越大；这样经滑动可调电阻RP降压限流后电源进入电压比较器U2的3脚电压、低于电压比较器U2的2脚电压，电压比较器U2在其内部电路作用下其3脚不输出高电平，于是电磁阀DC不会得电工作其阀芯一直处于打开状态；保证进氢气通道管1上端内的氢气压力及流量处于合适的状态。第一套控制电路和第一只电磁阀DC中，电压比较器U2得电工作后，实际情况下，当进氢气通道管1上端内的氢气压力及流量相对较大，高于使用者设定的最高氢气流量及压力时，由于氢气压力及流量相对大，活塞52克服弹簧53向下作用力带动滑动可调电阻RP的手柄向上运动距离相对越大、其电阻值相对越低；这样经滑动可调电阻RP降压限流后电源进入电压比较器U2的3脚电压、高于电压比较器U2的2脚电压，电压比较器U2在其内部电路作用下其3脚输出高电平经电阻R3降压限流进入NPN三极管Q的基极，NPN三极管Q导通其集电极输出低电平进入继电器J的负极电源输入端，于是，继电器J得电吸合其控制电源输入端和常开触点端闭合，由于，继电器J控制电源输入端和12V电源正极连接，继电器J常开触点端和电磁阀DC正极电源输入端连接，所以此刻，电磁阀DC会得电工作其阀芯关闭，这样，氢气暂时不进入进氢气通道管1上端内；当进氢气通道管1上端内氢气量再次低于使用者设定的流量及压力时，电压比较器U2的6脚再次停止输出高电平，继电器J、电磁阀DC相继再次失电，氢气再次进入进氢气通道管1上端内，这样通过上述电路作用，就能有效保证进氢气通道管1上端内的氢气压力及流量处于合适的状态。

图1、2、3中所示，第二套控制电路和第二只电磁阀DC1中，电压比较器U3得电工作后，其反向输入端2脚的电压由电阻R4、R5、RP2分压而得，本实施中参考点电位为8V左右，实际情况下，当进氢气通道管1下端内的氢气压力及流量小，低于使用者设定的最高氢气流量及压力时，由于氢气压力及流量相对小，活塞52在弹簧53向下作用力下带动滑动可调电阻RP3的手柄向下运动距离相对越大、其电阻值相对越大；这样经滑动可调电阻RP3降压限流后电源进入电压比较器U3的3脚电压、低于电压比较器U3的2脚电压，电压比较器U3在其内部电路作用下其3脚不输出高电平，于是电磁阀DC1不会得电工作其阀芯一直处于打开状态；保证进氢气通道管1下端内的氢气压力及流量处于合适的状态。第二套控制电路和第二只电磁阀DC1中，电压比较器U3得电工作后，实际情况下，当进氢气通道管1下端内的氢气压力及流量相对较大，高于使用者设定的最高氢气流量及压力时，由于氢气压力及流量相对大，活塞52克服弹簧53向下作用力、带动滑动可调电阻RP3的手柄向上运动距离相对越大、其电阻值相对越低；这样经滑动可调电阻RP3降压限流后电源进入电压比较器U3的3脚电压、高于电压比较器U3的2脚电压，电压比较器U3在其内部电路作用下其3脚输出高电平经电阻R6降压限流进入NPN三极管Q1的基极，NPN三极管Q1导通其集电极输出低电平进入继电器J1的负极电源输入端，于是，继电器J1得电吸合其控制电源输入端和常开触点端闭合，由于，继电器J1控制电源输入端和12V电源正极连接，继电器J1常开触点端和电磁阀DC1正极电源输入端连接，所以此刻，电磁阀DC1会得电工作其阀芯关闭，这样，氢气暂时不进入进氢气通道管1下端内；当进氢气通道管1下端内氢气量再次低于使用者设定的流量及压力时，电压比较器U3的6脚再次停止输出高电平，继电器J1、电磁阀DC1相继再次失电，氢气再次进入进氢气通道管1下端内，这样通过上述电路作用，就能有效保证入进氢气通道管1下端内的氢气压力及流量处于合适的状态。需要说明的是，本发明是控制过大量氢气进入进氢气通道管1内上下两部，因此，使用者使用前需要把控制氢气量输入的手动阀门阀芯开启的相对大一点，保证进氢气通道管1内上下两部不会出现氢气量过小现象。

图1、2、3中所示，本发明生产中，生产技术人员或者使用中技术人员，可以根据需要分别调节可调电子RP1、RP2的电阻值，分别调节进入进氢气通道管1内上下两部的氢气量达到需要的压力及流量。调节时结合氢气管和氢气罐之间的流量计进行，当技术人员调节控制氢气量输入的手动阀门阀芯到需要的程度稍微大时(结合流量计的显示调节)，技术人员分别调节可调电阻RP1及RP2的电阻值，也就是调节电压比较器U2及U3的2脚基准电压，当刚好调节到电磁阀DC或DC1得电工作后(在电磁阀DC及DC1的电源两端并联电压表，电压表显示电压就说明电磁阀DC或DC1得电工作)，那么可调电阻RP1及RP2的电阻值就调节到需要的阻值。可调电阻RP1或RP2的电阻值调节得大时，那么电压比较器U2或U3的2脚基准电压就会变高，那么后续探测机构探测的氢气量相对大时，电压比较器U2或U3的6脚才会输出高电平，可调电阻RP1或RP2的电阻值调节得小时，那么电压比较器U2或U3的2脚基准电压就会变低，那么后续探测机构探测的氢气量相对小时，电压比较器U2或U3的6脚就会输出高电平。滑动可调电阻RP、RP3的规格是4.7M；电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6阻值分别是100K、100K、1K、100K、100K、1K；可调电阻RP1、RP2规格是200K；NPN三极管Q、Q1型号是9013；继电器J及J1是DC4100型12V小型继电器。本发明尽可能防止了进氢气通道管1的上端或下端内氢气量过大，导致进氢气通道管1的上下端内氢气量不平衡对若干单电池的发电性能带来的影响，尽可能保证了进入若干个单电池的氢气量处于接近一致，若干单个电池的电压平衡。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.自动控制氢气量的燃料电池，包括具有并联进氢气通道管及并联进空气通道管的氢燃料电池组本体、电磁阀、开关电源；其特征在于还具有压力探测机构、控制电路；所述电磁阀门最少有相同的两个、压力探测机构、控制电路最少各有两套；所述进氢气通道管上下端各有支管，每根支管一端分别和其中一个电磁阀门的排气端连接，两个电磁阀的进气端和三通管的两端连接，三通管第三端和氢气管连接；所述进氢气通道管的上下部位于支管下端还分别有开孔，两套探测机构分别安装在两个开孔的外侧端；所述开关电源、控制电路安装在元件盒内；所述稳压电源的电源输出端和控制电路的电源输入端电性连接；所述两套探测机构的信号输入端和稳压电源的正极电源输出端电性连接，两套探测机构的信号输出端和两套控制电路的信号输入端分别电性连接；所述两套控制电路的电源输出端和两个电磁阀的电源输入两端分别电性连接。

2.根据权利要求1所述的自动控制氢气量的燃料电池，其特征在于，电磁阀是常开阀芯电磁阀。

3.根据权利要求1所述的自动控制氢气量的燃料电池，其特征在于，开关电源是交流转直流开关电源模块。

4.根据权利要求1所述的自动控制氢气量的燃料电池，其特征在于，每套压力探测机构包括筒体、活塞、弹簧、活动杆、滑动可调电阻；在筒体的外侧端有支撑板，活动杆下端安装在活塞中部上端，弹簧位于活塞上并和活塞一起位于筒体上端内，活动杆中部位于筒体上端中部的开孔内，滑动可调电阻垂直安装在支撑板前，滑动可调电阻的调节手柄侧有连动杆，连动杆和活动杆的上端安装在一起。

5.根据权利要求1所述的自动控制氢气量的燃料电池，其特征在于，压力探测机构的活塞外径大于筒体的内径。

6.根据权利要求1所述的自动控制氢气量的燃料电池，其特征在于，每套控制电路包括型号LM393的电压比较器集成电路、电阻、可调电阻、NPN三极管和继电器，其间经电路板布线连接，第一只电阻一端和电压比较器的正极电源输入端8脚、继电器正极及控制电源输入端连接，电压比较器的输出端6脚和第二只电阻一端连接，第二只另一端和NPN三极管基极连接，NPN三极管集电极和继电器负极电源输入端连接，电源比较器的负极电源输入端4脚和NPN三极管发射极、第三只电阻另一端连接，电源比较器的反向输入端2脚和第一只电阻另一端、可调电阻一端连接，可调电阻另一端和第三只电阻一端连接。

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