CN1680822A

CN1680822A - 一种适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置

Info

Publication number: CN1680822A
Application number: CN 200410017508
Authority: CN
Inventors: 傅明竹; 胡里清
Original assignee: Shanghai Shen Li High Tech Co Ltd
Current assignee: Shanghai Shenli Technology Co Ltd
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2005-10-12

Abstract

本发明涉及一种适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置，该装置包括单电池电压检测器、综合分析控制器、发电系统上层控制器或上层监视器，所述的单电池电压检测器包括具有控制器区域总线(CAN总线)通讯接口的单片机、若干光电开关装置，该若干光电开关装置与若干需监控的单电池一一对应连接，所述的单片机输出信号巡回控制相应光电开关装置的导通或闭合，该单片机可以将采集到的数值通过CAN总线发送到综合分析控制器、发电系统上层控制器或上层监视器。与现有技术相比，本发明具有结构简单、性能可靠等特点。

Description

一种适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：

阴极反应：

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

质子交换膜燃料电池既可以用作车、船等运载工具的动力系统，又可以用作移动式或固定式的发电站。

燃料电池发电系统主要由燃料电池堆与电池堆支持运行系统组成。作为车、船动力或发电站大功率的燃料电池发电系统方面的应用，要求可以输出几十千瓦，甚至输出几百千瓦的功率。对这样大功率的输出要求，必须有相应的大功率输出的燃料电池堆与支持运行系统。

大功率输出的燃料电池堆工程设计与制造，从技术与制造成本方面来分析，一般无法采用一个由许多块大面积极板构成的巨型单堆方法，而是采用由多个中小功率燃料电池堆模块集成在一起达到大功率输出要求的方法。上海神力公司“一种可以模块化装配的大规模集成式燃料电池”(发明专利号：03141840.6；实用新型专利号：03255963.1)就是一种通过许多燃料电池堆模块集成在一起的集成式燃料电池。

每个质子交换膜燃料电池堆模块一般由若干个单电池串联或并联而成，对燃料电池工作电压，特别是所有单电池工作电压监控与安全报警自动控制尤为重要。因为整个燃料电池发电系统的任何不正常情况，如过电流，超出正常工作温度等都会表现出一些单电池工作电压处于异常状态。特别是当出现电极击穿时，该电极所在的单电池输出电压会达到异常数值，如接近于零，甚至出现负值，而其他正常的单电池工作输出电压一般在1.2～0.5V之间。长时间运行在负值的电极会造成永久损坏和存在不安全因素。所以对燃料电池堆每个模块的单电池监测是非常重要的，当个别或一些单电池工作电压低于其他单电池正常工作电压时，燃料电池发电系统的控制子系统应及时报警，甚至执行停机，切断负载，切断氢气供应等命令。

上海神力公司“燃料电池各单电池工作电压监控与安全报警的装置及方法”(发明专利号：02136838.4；实用新型专利号：02266891.8)。该专利发明所要解决的技术问题是提供一种对单电池工作电压的监控与安全报警的装置及方法，其可实现对一个单电池或少量单电池电池组的真实输出电压进行直接测量并对异常情况提供安全报警，并给控制器下达安全防护命令。

该专利技术虽然可以对一个燃料电池堆模块中的一个单电池或一组单电池的输出电压进行监测，但也存在一些技术缺陷，该技术所采用的单片机包括一A/D转换器及若干开关装置，一个燃料电池堆模块中地每个单电池至少有一组单独的引出监测线与相应的开关装置及A/D转换器相连接，每个开关装置都与单片机相连接(如图1)。

所以，当燃料电池堆所含的单电池数太多，或需要监测多个燃料电池堆模块中所有单电池工作电压时，上述技术会导致以下几种情况：

1.采用RS485通讯方式速度较低、可靠性较低；

2.需要大量的译码电路，体积加大，不适合用于大型集成式燃料电池组。

3.电池监测线数量太多，引线太长；

4.由于引线太长，容易受到外部电磁干扰，通讯可靠性降低；

5.体积庞大，接线复杂；

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、性能可靠的适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置，其特征在于，该装置包括单电池电压检测器、综合分析控制器、发电系统上层控制器或上层监视器，所述的单电池电压检测器包括具有控制器区域总线(CAN总线)通讯接口的单片机、若干光电开关装置，该若干光电开关装置与若干需监控的单电池一一对应连接，所述的若干光电开关装置无需与译码电路直接相连，所述的单片机输出信号巡回控制相应光电开关装置的导通或闭合，进而导通或闭合相应的需监控的各单电池检测电路，所述的单片机内部A/D转换器采集对应单电池的输出电压，该单片机可以将采集到的数值通过CAN总线发送到综合分析控制器、发电系统上层控制器或上层监视器，该综合分析控制器、上层控制器或上层监视器根据接收的数值正常或异常可以判断燃料电池单电池是否处于正常工作状态，是否报警，甚至执行停机的保护命令。

每个燃料电池堆根据所组成的单电池总数的多少，可以设置一个或多个这种具有CAN总线通讯功能的燃料电池单电池电压检测器。

可将多个具有CAN总线通讯功能的单电池电压检测器组合成大规模的CAN总线单电池电压检测网，整个检测网还包括上层控制器或监视器。

所述的单片机可采用87C591单片机。

所述的光电开关装置可采用光电隔离继电器。

该装置在任何时候只有二个特定相邻位置的光电隔离继电器同时闭合，每次只导通一个单电池或一组单电池检测回路电路，并实现在一个单电池或一组单电池的输出电压进行测量。

与现有技术相比，本发明的显著效果是测量监控简单，测量值可靠，由于是对真实的电压输出值的直接测量，因而不会出现误报警信号，采用CAN总线通讯方式，数据传输可靠速度高，特别适用于大型集成式电池组。其原理是在任何时候只有二个特定相邻位置的光电隔离继电器同时闭合，并实现在一个单电池或一组单电池的输出电压进行测量，对信号处理和数字转换的电路板耐压要求低，而光电隔离继电器无触点、电压降低、导通速度快、稳定性高、寿命长，又使得该技术更具优势(见图2)。

这种大规模的CAN总线单电池电压检测网络装置特点是：

1.每个单电池电压检测装置体积小，可以直接安装在燃料电池堆模块附近，从而使引线、接线最短(见图4)；

2.多个这样的燃料电池检测装置只需一根CAN总线电缆，不需大把引线。

附图说明

图1为现有的燃料电池各单电池工作电压监控与安全报警装置的电路结构示意图；

图2为本发明单电池电压检测器的电路结构示意图；

图3为本发明单电池电压检测器在集成式燃料电池上应用的示意图；

图4为本发明电压检测与监控装置的电路结构示意图；

图5为本发明软件编程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明是在神力公司专利“燃料电池各电池工作电压监控与安全报警的装置”(发明专利号：02136838.4；实用新型专利号：02266891.8)的基础上改进的一种具有CAN总线通讯功能的燃料电池电压检测装置工作原理图，该装置检测单电池总数为28路。

图3是一种实例，该实例中一种集成式燃料电池由二个燃料电池模块集合而成，每个燃料电池模块由二个具有CAN总线通讯功能的单电池检测装置板，总共有4块单电池检测装置板组成CAN总线检测网。

图4是一种由8个具有CAN总线通讯功能的单电池检测装置组成的大规模CAN总线检测网。该检测网为了增加数据传输的可靠性，还增加了一个单电池电压综合分析器，经过该综合分析器的数据整理、过滤后再向上层控制器传输，以提高系统控制的稳定可靠性。

本发明软件编程框图如图5所示，步骤100：初始设置单片机内基本参数，如采样电池号n置1。步骤101：采样电池号置n+1＞28，如n＞28则步骤102：采样电池号置n置回零。如n＜28则跳过上步直接进下一步。步骤103：根据采样电池号置n，接通Kn和Kn-1两个光电继电器，关闭其他所有光电继电器。步骤104：把被测电池电压接入单片机作AD转换。步骤105：经内部计算后的电池电压数值通过CAN总线接口发送。回到步骤100，周而复始。

Claims

1.一种适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置，其特征在于，该装置包括单电池电压检测器、综合分析控制器、发电系统上层控制器或上层监视器，所述的单电池电压检测器包括具有控制器区域总线(CAN总线)通讯接口的单片机、若干光电开关装置，该若干光电开关装置与若干需监控的单电池一一对应连接，所述的单片机输出信号巡回控制相应光电开关装置的导通或闭合，进而导通或闭合相应的需监控的各单电池检测电路，所述的单片机内部A/D转换器采集对应单电池的输出电压，该单片机可以将采集到的数值通过CAN总线发送到综合分析控制器、发电系统上层控制器或上层监视器，该综合分析控制器、上层控制器或上层监视器根据接收的数值正常或异常可以判断燃料电池单电池是否处于正常工作状态，是否报警，甚至执行停机的保护命令。

2.根据权利要求1所述的适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置，其特征在于，每个燃料电池堆根据所组成的单电池总数的多少，可以设置一个或多个这种具有CAN总线通讯功能的燃料电池单电池电压检测器。

3.根据权利要求2所述的适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置，其特征在于，可将多个具有CAN总线通讯功能的单电池电压检测器组合成大规模的CAN总线单电池电压检测网，整个检测网还包括上层控制器或监视器。

4.根据权利要求1所述的适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置，其特征在于，所述的单片机可采用87C591单片机。

5.根据权利要求1所述的适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置，其特征在于，所述的光电开关装置可采用光电隔离继电器。

6.根据权利要求5所述的适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置，其特征在于，该装置在任何时候只有二个特定相邻位置的光电隔离继电器同时闭合，每次只导通一个单电池或一组单电池检测回路电路，并实现在一个单电池或一组单电池的输出电压进行测量。