CN116632284A - 一种氢能源燃料电池组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢能源燃料电池组，包括氢能源燃料电池组本体，氢能源燃料电池组本体包括外壳体和电池堆，电池堆上设有氢气接口和氧气接口，电池堆一侧设有调节氧气输入量的供氧结构，供氧结构包括与氧气接口固定贯通的空气管道，空气管道的一端固定贯通有风箱，风箱内设有吸入外部自然空气的吸风组件，吸风组件包括设置在风箱内的且自由转动的多组扇叶，风箱内设有根据风阻大小调节扇叶倾角的风摆组件，电池堆上固定连接有测量其输出电压值的电压传感器，电池堆的一侧设有改变扇叶转速的调速组件，本发明电池堆的输出电压数值实现对氢气和氧气的输入量的自动调节，保证氢能源燃料电池组的输出电压稳定，提高了电池性能和寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种氢能源燃料电池组。
背景技术
氢能源是一种清洁、高效、可再生的能源，具有广阔的应用前景。氢能源燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，氢燃料电池汽车是一种利用PEMFC为动力源的新型汽车，它将储存于车辆上的压缩氢气和来自空气中的氧气输入到PEMFC中，通过电化学反应产生直流电，驱动车辆上的驱动系统。
现有的氢能源燃料电池组在使用时由于氢气和氧气的供应不足等因素而影响其输出电压值的大小，输出电压值的变化可能会影响车辆等装置的运行，因此，需要根据氢能源燃料电池组的输出电压值的大小及时调节氢气和氧气的供应量，因此，存在一定的改进空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢能源燃料电池组，具备保证氢能源燃料电池组的输出电压稳定的优点，解决了氢能源燃料电池组的输出电压值波动的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种氢能源燃料电池组，包括氢能源燃料电池组本体，氢能源燃料电池组本体包括外壳体和电池堆，电池堆上设有氢气接口和氧气接口，所述电池堆一侧设有调节氧气输入量的供氧结构；
所述供氧结构包括与氧气接口固定贯通的空气管道，空气管道的一端固定贯通有风箱，风箱固定连接在外壳体上，风箱内设有吸入外部自然空气的吸风组件；
吸风组件包括设置在风箱内的且自由转动的多组扇叶，风箱内设有根据风阻大小调节扇叶倾角的风摆组件；
电池堆上固定连接有测量其输出电压值的电压传感器，电池堆的一侧设有改变扇叶转速的调速组件。
优选的，所述风箱内固定连接有安装板，安装板上固定连接有电机，电机的输出端固定贯通安装板且固定连接有花键轴，花键轴的周侧设置多组等距分布的扇叶，扇叶固定连接在圆形座上，圆形座通过圆槽转动连接在保护壳上，保护壳固定连接在花键轴上。
优选的，所述风摆组件包括套设在花键轴上且沿花键轴纵向往复运动的滑动座，滑动座上通过铰接座转动连接有横杆的一端，横杆的另一端滑动套设有摆柱，摆柱设置在圆形座上，外壳体的外侧固定连接有容纳框，容纳框内固定连接有风速传感器。
优选的，所述摆柱通过通孔滑动连接横杆上，摆柱固定连接在圆形座上，摆柱与圆形座不同轴。
优选的，所述花键轴上固定连接有限位环。
优选的，所述调速组件包括滑动变阻器，滑动变阻器固定连接在外壳体上，滑动变阻器电性连接电机，滑动变阻器的一侧设有多级电推杆，多级电推杆的固定端固定连接在外壳体上，多级电推杆的伸缩端固定连接滑动变阻器中的滑片。
优选的，所述风箱和空气管道之间设有净化滤芯，净化滤芯可拆卸连接在风箱和空气管道上。
优选的，所述风箱的进风端固定连接有过滤网。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过电池堆的输出电压数值实现对氢气和氧气的输入量的自动调节，保证氢能源燃料电池组的输出电压稳定，提高了电池性能和寿命。
本发明通过设置自然风速的变化调节扇叶的倾角，实现氧气供应量的灵活控制，适应了不同的工作条件和需求。
附图说明
图1为本发明整体结构立体示意图；
图2为本发明整体结构侧视图；
图3为本发明风速传感器位置示意图；
图4为本发明扇叶所在部件示意图；
图5为本发明摆柱和圆形座连接位置示意图；
图6为本发明限位环所在部件示意图；
图7为本发明风箱结构示意图；
图8为本发明滑动变阻器所在串联线路示意图；
图9为本发明滑动变阻器电阻值调节示意图。
图中：1、外壳体；2、电池堆；3、氧气接口；4、空气管道；5、电压传感器；6、容纳框；7、风速传感器；8、风箱；9、净化滤芯；10、安装板；11、电机；12、花键轴；13、滑动座；14、限位环；15、横杆；16、摆柱；17、圆形座；18、扇叶；19、多级电推杆；20、滑动变阻器；21、过滤网。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图9，本发明提供一种技术方案：一种氢能源燃料电池组，包括氢能源燃料电池组本体，氢能源燃料电池组本体包括外壳体1和电池堆2，电池堆2上设有氢气接口和氧气接口3，所述电池堆2一侧设有调节氧气输入量的供氧结构；
所述供氧结构包括与氧气接口3固定贯通的空气管道4，空气管道4的一端固定贯通有风箱8，风箱8固定连接在外壳体1上，风箱8内设有吸入外部自然空气的吸风组件；
吸风组件包括设置在风箱8内的且自由转动的多组扇叶18，风箱8内设有根据风阻大小调节扇叶18倾角的风摆组件；
电池堆2上固定连接有测量其输出电压值的电压传感器5，电池堆2的一侧设有改变扇叶18转速的调速组件。
如图1、图2和图4所示，氢能源燃料电池组本体原理为电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳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阴极，氢能源燃料电池组本体主要包括外壳体1、电池堆2、燃料供应系统、氧气供应系统、水管理系统、直流－交流逆变系统、控制系统和安全系统。
外壳体1，用于保护内部电池堆2等零部件。
电池堆2，是由多个单个燃料电池串联而成的，用来产生电能。
燃料供应系统，用来将外部的燃料（如氢气、天然气、甲醇等）转化为适合燃料电池反应的形式（如纯净的氢气、重整气等）。
氧气供应系统，用来提供反应所需的氧气，可以是纯氧，也可以是空气。
水管理系统，用来控制燃料电池中水的平衡，避免水的过多或过少影响电池性能。
热管理系统，用来将燃料电池产生的热量带走，保持适宜的工作温度。
直流－交流逆变系统，用来将燃料电池产生的直流电转换为交流电，以便与用电设备或电网相匹配。
控制系统，用来监测和调节燃料电池的工作状态，保证安全和稳定的运行。
安全系统，用来预防和处理可能发生的火灾、爆炸等事故。
在使用过程中，通过燃料供应系统和氧气供应系统向电池堆2分别供应氢气和氧气，其氧气的供应可采用纯氧或自然空气供应，通过电解水的逆反应将氢气和氧气的化学能直接转换成电能，因此，在使用过程中，氧气和氢气的供应量会影响氢能源电池组的输出电压。
通过电池堆2上设置的电压传感器5检测其输出电压值，通过检测电池堆2的输出电压，从而确定调节氢能源电池的运行参数，如氢气和氧气的输入参数，进而实现氢能源电池的最佳运行工况，待测量电池堆2的输出电压后，与设定的理想电压或目标电压进行比较，进而得知电压偏差，根据电压偏差的大小和符号，确定氢气和氧气的输入量应该增加还是减少，以及增加或减少的幅度。
并通过PID控制器生成输出信号控制氢气和氧气的输入量，其中PID控制器的输出信号计算公式为：；其中，其中u(t)是控制器输出信号，e(t)是电压偏差，Kp是比例系数，Ki是积分系数，Kd是微分系数，/>是时间变量，表示系统的运行时间，/>是积分变量，它表示从0到t的时间区间，/>是微分算符，/>即对进行求导，并且这些系数可以根据系统特性和性能要求进行调节，PID控制器生成输出信号传递给控制系统，进而对氢气和氧气的输入量进行调整。
在调整氢气的输入量时，通过改变氢气输出阀门的开度进行调节，在调节氧气的输入量时，通过调速组件调节吸风组件中扇叶18的转速，进而改变单位时间内进入空气管道4和电池堆2内空气量，从而达到调节氧气输入量的目的。
同时，当氢能源燃料电池组本体作为车辆驱动系统的动力源时，汽车在行驶过程中其车速不同导致扇叶18附近空气流速不同，进而对氧气的输入量有所影响，因此，在车速变化时，在不影响扇叶18转动的前提下通过风摆组件调节扇叶18的倾角，进而在一定范围时，使扇叶18在转速相同时向电池堆2的氧气供应量有所变化。
其中一个较为优选的实施例，所述风箱8内固定连接有安装板10，安装板10上固定连接有电机11，电机11的输出端固定贯通安装板10且固定连接有花键轴12，花键轴12的周侧设置多组等距分布的扇叶18，扇叶18固定连接在圆形座17上，圆形座17通过圆槽转动连接在保护壳上，保护壳固定连接在花键轴12上。
所述风摆组件包括套设在花键轴12上且沿花键轴12纵向往复运动的滑动座13，滑动座13上通过铰接座转动连接有横杆15的一端，横杆15的另一端滑动套设有摆柱16，摆柱16设置在圆形座17上，外壳体1的外侧固定连接有容纳框6，容纳框6内固定连接有风速传感器7。
如图2－图6所示，通过电机11驱动花键轴12自由转动，花键轴12上固定连接有保护壳，且圆形座17设置在保护壳上，因此圆形座17上的扇叶18跟随花键轴12同步转动。
在调节扇叶18的倾角时，通过电推杆等装置传动连接滑动座13，使滑动座13在花键轴12的纵向滑动，在滑动座13在花键轴12上滑动时，带动其上设置的横杆15同步运动并发生摆动，横杆15通过摆柱16连接圆形座17，进而在横杆15发生摆动时带动圆形座17转动，通过圆形座17的转动，进而在一定范围内改变扇叶18的倾角，在一定范围内，扇叶18的倾角越大，叶片上下表面的压力差就越大，在相同转速下风压就越大，进而改变氧气的供应量。
为了避免扇叶18倾角变化范围过大，所述花键轴12上固定连接有限位环14，通过在花键轴12上设置限位环14，限制滑动座13在花键轴12上的位置，避免滑动座13的过量运动导致扇叶18的倾角变化过大，因此，避免扇叶18倾角变化超过一定范围导致的回流现象。
进一步地，所述摆柱16通过通孔滑动连接横杆15上，摆柱16固定连接在圆形座17上，摆柱16与圆形座17不同轴。
如图4和图5所示，当滑动座13沿花键轴12纵向运动时，带动横杆15与其同步运动时发生摆动现象，在横杆15运动时带动其上的摆柱16同步运动，并且摆柱16的高度随着横杆15的高度同步变化，因此，横杆15在运动过程中带动圆形座17转动，进而改变扇叶18的倾角，达到在同等转速下改变风力的目的，进而改变向电池堆2的供氧量。
在风摆组件实施例的基础上，所述调速组件包括滑动变阻器20，滑动变阻器20固定连接在外壳体1上，滑动变阻器20电性连接电机11，滑动变阻器20的一侧设有多级电推杆19，多级电推杆19的固定端固定连接在外壳体1上，多级电推杆19的伸缩端固定连接滑动变阻器20中的滑片。
如图1、图8和图9所示，当需要通过改变扇叶18的转速而改变电池堆2的氧气供应量时，通过多级电推杆19调节滑动变阻器20中滑片的位置，从而改变滑动变阻器20的电阻值，通过改变驱动扇叶18转动的电机11串联电路的总电阻值，并通过电阻值的变化改变该电路电流值的大小，达到改变电机11输出端转速的目的，进而调节扇叶18的转速，达到改变电池堆2氧气供应量的目的。
在调速组件实施例的基础上，所述风箱8和空气管道4之间设有净化滤芯9，净化滤芯9可拆卸连接在风箱8和空气管道4上，所述风箱8的进风端固定连接有过滤网21。
如图1、图2和图7所示，在通过外部自然空气对电池堆2提供氧气时，为了避免外部杂物进入至电池堆2内，通过风箱8进风端设置的过滤网21拦截体积较大的固体杂物，如石子等，避免杂物对扇叶18接触对扇叶18造成损坏而影响其正常运转。
与此同时，在风箱8和空气管道4之间设置通过螺栓可拆卸连接的净化滤芯9，对外界自然空气的尘粒进行拦截，避免尘粒进入电池堆2内，从而避免尘粒在电池堆2内沉积，避免其对电池堆2内部零部件造成损坏。
工作原理：通过电池堆2上设置的电压传感器5检测其输出电压值，通过检测电池堆2的输出电压，从而确定调节氢能源电池的运行参数，如氢气和氧气的输入参数，进而实现氢能源电池的最佳运行工况，待测量电池堆2的输出电压后，与设定的理想电压或目标电压进行比较，进而得知电压偏差，根据电压偏差的大小和符号，确定氢气和氧气的输入量应该增加还是减少，以及增加或减少的幅度。
通过改变氢气输出阀门的开度对氢气的输入量进行调节，并通过调节滑动变阻器20的电阻值对电机11所在的串联线路电阻值进行调节，进而调节扇叶18的转速，通过扇叶18转速的变化改变电池堆2的氧气供应量。
同时，当氢能源燃料电池组本体作为车辆驱动系统的动力源时，汽车在行驶过程中其车速不同导致扇叶18附近空气流速不同，进而对氧气的输入量有所影响，因此，在车速变化时，在不影响扇叶18转动的前提下通过风摆组件调节扇叶18的倾角，进而在一定范围时，使扇叶18在转速相同时向电池堆2的氧气供应量有所变化，从而在车速变化时，自适应改变氧气的供应量，以确保氢能源燃料电池组本体的输出电压保持稳定。
本发明通过电池堆2的输出电压数值实现对氢气和氧气的输入量的自动调节，保证氢能源燃料电池组的输出电压稳定，提高了电池性能和寿命，并能够根据自然风速调节扇叶18的倾角，实现氧气供应量的灵活控制，适应了不同的工作条件和需求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种氢能源燃料电池组，包括氢能源燃料电池组本体，氢能源燃料电池组本体包括外壳体(1)和电池堆(2)，电池堆(2)上设有氢气接口和氧气接口(3)，其特征在于：所述电池堆(2)一侧设有调节氧气输入量供氧结构；
所述供氧结构包括与氧气接口(3)固定贯通的空气管道(4)，空气管道(4)的一端固定贯通有风箱(8)，风箱(8)固定连接在外壳体(1)上，风箱(8)内设有吸入外部自然空气的吸风组件；
吸风组件包括设置在风箱(8)内的且自由转动的多组扇叶(18)，风箱(8)内设有根据风阻大小调节扇叶(18)倾角的风摆组件；
电池堆(2)上固定连接有测量其输出电压值的电压传感器(5)，电池堆(2)的一侧设有改变扇叶(18)转速的调速组件。
2.根据权利要求1所述的一种氢能源燃料电池组，其特征在于：所述风箱(8)内固定连接有安装板(10)，安装板(10)上固定连接有电机(11)，电机(11)的输出端固定贯通安装板(10)且固定连接有花键轴(12)，花键轴(12)的周侧设置多组等距分布的扇叶(18)，扇叶(18)固定连接在圆形座(17)上，圆形座(17)通过圆槽转动连接在保护壳上，保护壳固定连接在花键轴(12)上。
3.根据权利要求2所述的一种氢能源燃料电池组，其特征在于：所述风摆组件包括套设在花键轴(12)上且沿花键轴(12)纵向往复运动的滑动座(13)，滑动座(13)上通过铰接座转动连接有横杆(15)的一端，横杆(15)的另一端滑动套设有摆柱(16)，摆柱(16)设置在圆形座(17)上，外壳体(1)的外侧固定连接有容纳框(6)，容纳框(6)内固定连接有风速传感器(7)。
4.根据权利要求3所述的一种氢能源燃料电池组，其特征在于：所述摆柱(16)通过通孔滑动连接横杆(15)上，摆柱(16)固定连接在圆形座(17)上，摆柱(16)与圆形座(17)不同轴。
5.根据权利要求4所述的一种氢能源燃料电池组，其特征在于：所述花键轴(12)上固定连接有限位环(14)。
6.根据权利要求5所述的一种氢能源燃料电池组，其特征在于：所述调速组件包括滑动变阻器(20)，滑动变阻器(20)固定连接在外壳体(1)上，滑动变阻器(20)电性连接电机(11)，滑动变阻器(20)的一侧设有多级电推杆(19)，多级电推杆(19)的固定端固定连接在外壳体(1)上，多级电推杆(19)的伸缩端固定连接滑动变阻器(20)中的滑片。
7.根据权利要求6所述的一种氢能源燃料电池组，其特征在于：所述风箱(8)和空气管道(4)之间设有净化滤芯(9)，净化滤芯(9)可拆卸连接在风箱(8)和空气管道(4)上。
8.根据权利要求7所述的一种氢能源燃料电池组，其特征在于：所述风箱(8)的进风端固定连接有过滤网(21)。
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