CN1841080A

CN1841080A - 一种安全准确的燃料电池电压监测装置

Info

Publication number: CN1841080A
Application number: CN 200510024755
Authority: CN
Inventors: 王立明; 付明竹; 葛栩栩; 胡里清
Original assignee: Shanghai Shen Li High Tech Co Ltd
Current assignee: State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd; Shanghai Shenli Technology Co Ltd
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: CN100464195C

Abstract

本发明涉及一种安全准确的燃料电池电压监测装置，该装置包括单电池电压检测器、燃料电池控制器，所述的单电池电压检测器包括若干差分放大器、若干多路开关、具有控制器区域总线(CAN总线)通讯接口的单片机，所述的单片机包括A/D转换器和CPU，所述的若干差分放大器与需要监测的单电池一一对应连接，监测燃料电池电堆的两片单电极间的电压差，所述的多路开关在CPU的控制下轮流切换断开或导通，所述的A/D转换器将多路开关导通时获取的差分放大器输出电压信号转换为数字信号，所述的CPU获取该数字信号并经过分析得到对燃料电池电压的监测信息，单片机将该监测信息通过CAN总线发送到燃料电池控制器。

Description

一种安全准确的燃料电池电压监测装置

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种安全准确的燃料电池电压监测装置。

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，又可用作移动式或固定式发电站。

质子交换膜燃料电池一般由若干个单电池组成，将这些单电池以串联或并联的方式连接起来构成质子交换膜燃料电池堆，将质子交换膜燃料电池堆与其他运行支持系统组合起来构成整个质子交换膜燃料电池发电系统。

由于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，因此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。

参阅图1，图2。图1为原有燃料电池电压单电池电压检测器电方框图，包括燃料电池堆101，若干光电开关102，A/D转换器103和CPU 104。图2为原有燃料电池电压监测装置原理图，包括燃料电池堆201，燃料电池电压单电池电压检测器202，燃料电池控制器203，CAN总线204。

如图2所示，在传统控制方式中，燃料电池电压监测器测得监测点电压后，把每一个监测点的测量值都通过CAN总线发送给控制器。由于受CAN总线通讯速率、每个燃料电池需要监测的往往是成几十至几百个单电极运行状况等因素的制约，通常采用循环间隔发送的方法向燃料电池控制器发送每个监测点电压值，控制器对所有的数据进行分析得到燃料电池电极性能是否正常。通常有采取增加监测点监测的燃料电池电极的数目来弥补通讯速度的不足。上述做法存在以下不足：

1.由于向控制器发送了所有的监测点电压，这样控制器得到每个监测点前后两次电压值的时间相差往往在几百毫秒至1000毫秒以上。控制器无法实时判断燃料电池电极工作是否正常。

2.大量的数据在CAN总线上传输，降低了通讯的可靠性。

3.控制器需要对大量的监测点电压数据进行处理。

4.增加监测点的数目不能完全弥补通讯速率的不足，同时会造成在燃料电池电极发生故障时，由于一个监测点测量了太多的电极而无法确定具体是哪一张电极出现故障。

上海神力公司“一种适合大规模集成式燃料电池的电压监测与监控装置”(发明专利申请号：2004100175089；实用新型申请号：2004200216703)。该专利发明所要解决的技术问题是提供一种适合大规模集成式燃料电池的电压监测与监控装置。该装置中所采用的单电池电压监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，光电开关装置与需监控的单电池一一连接，单片机的输出信号巡回控制相应光电开关装置的导通或闭合，并将采集到的数值过滤处理后通过CAN总线发送到分析控制器。其单电池电压监测器的原理示意图如图2所示。

该专利技术虽然可以对大规模集成式燃料电池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，该技术的工作原理为通过单片机的CPU的I/O口切换所对应的光电开关关闭或打开，CPU工作时需保证保证每次只接通2路相邻的光电开关，相邻2路单电极的电压差被送到单片机中的A/D转换器进行模数转换，CPU将转换的数字量和电压值对应，从而获取监测点电压。但是当单片机CPU受到干扰时，其控制光电开关的I/O端口上的信号可能发生翻转，由0变1或由1变0，当信号是由0变1时，将造成I/O端口上的信号同为1的两个电极发生短路，使得该路单电极电压也串入CPU中。较高的电压加到了CPU上，轻则造成烧坏CPU，重则造成烧坏电极的后果。

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安全准确的燃料电池电压监测装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种安全准确的燃料电池电压监测装置，其特征在于，该装置包括单电池电压检测器、燃料电池控制器，所述的单电池电压检测器包括若干差分放大器、若干多路开关、具有控制器区域总线(CAN总线)通讯接口的单片机，所述的单片机包括A/D转换器和CPU，所述的若干差分放大器与需要监测的单电池一一对应连接，监测燃料电池电堆的两片单电极间的电压差，所述的多路开关在CPU的控制下轮流切换断开或导通，所述的A/D转换器将多路开关导通时获取的差分放大器输出电压信号转换为数字信号，所述的CPU获取该数字信号并经过分析得到对燃料电池电压的监测信息，单片机将该监测信息通过CAN总线发送到燃料电池控制器。

所述的差分放大器为一种精确的低功耗单位增益差分放大器，在通常模式下有较大的输入范围，它由一个带超高精度薄膜电阻网络的超精密双极运算放大器组成，有较精确的1V/1差分增益和在共模方式下有较高的抑制比，电阻网络卓越的温度特性曲线，适用于-40℃到+85℃工业现场环境。

所述的燃料电池的每相邻两块单电极使用一个差分放大器，监测具有多个单电极的燃料电池电堆电压时，顺序采用多片差分放大器；所述的差分放大器有低、高两个电压信号输入端Vin-、Vin+，一个输出端V_O；燃料电池的每个单电极有一个电压输出端；燃料电池电堆中第一片单电极的电压输出端仅与第一片差分放大器的低电压输入端Vin-相连，最末一片单电极的电压输出端仅与最末一片差分放大器的高电压输入端Vin+相连，其它每一个单电极的电压输出端分为两路，分别与相邻两差分放大器的高、低电压输入端相连。

所述的多路开关输入端与差分放大器的输出端对应连接，当差分放大器的个数超过一个多路开关的输入端连接数时，采用多个多路开关，多路开关在CPU控制下轮流导通。

所述的A/D转换器的输入端与多路开关的输出端相连，当采用多个多路开关时，对应采用多个A/D转换器。

所述的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燃料电池单电池电压监测器。

所述的监测装置可以实时对所监测的燃料电池电极的性能进行分析，所述的监测点的分析信息包括电压最低的一个或几个监测点的编号及电压值，当某个监测点的电压低于燃料电池电极所允许的极限值并超过允许时间时产生的关机信息，当某个监测点的电压低于燃料电池电极所允许的故障值并超过允许时间时产生的故障信息，所有监测点的总电压值。

所述的监测装置可选择发送所有监测点电压值。

本发明由于采用了以上技术方案，克服了原有技术中的缺陷。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.由于每两个电极之间采用一片差分放大器，因此电极之间不会产生短路现象，保证了电极和CPU的安全。

2.由于采用了高精度的差分运算放大器，提高了电池电压的测量精度。

3.控制器可以实时得到电极工作性能。

4.减少了数据通讯量。

5.大大减少了控制器的数据处理量。每个电压监测器对监测点电压的进行分析信息，通知控制器是否进行紧急关机、故障处理等动作。

6.可以迅速得知出现故障电极的位置。

附图说明

图1为原有燃料电池电压单电池电压检测器电方框图；

图2为原有燃料电池电压监测装置原理图；

图3为现燃料电池电压单电池电压检测器电方框图；

图4为现燃料电池电压监测装置原理图；

图5为差分运算放大器的输入输出口示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图3，图4。图3是为本发明的燃料电池电压单电池电压检测器的一种实例的电方框图，包括若干差分放大器302、若干多路开关303、单片机中包括的A/D转换器304和CPU 305，若干差分放大器302与需要监测的单电池301一一对应连接，监测燃料电池电堆301的两片单电极间的电压差，多路开关303在CPU 305的控制下轮流切换断开或导通，A/D转换器304将多路开关303导通时获取的差分放大器输出电压信号转换为数字信号，CPU 305获取该数字信号并经过分析得到对燃料电池电压的监测信息。结合图4，燃料电池电压单电池电压检测器中的单片机将监测信息通过CAN总线404发送到燃料电池控制器403。在该图中，该装置检测单电池总数为32路。

参阅图5，为差分运算放大器的输入输出口示意图，Vin+、Vin-为差分放大器的两个高低电压输入端，V_O为差分放大器的电压输出端。

实施例1

结合具体的元器件型号对本发明方法作进一步的叙述。

结合图2，差分放大器采用INA148±200V共模电压差分放大器，CPU采用PHILIPS公司的LPC2119单片32位ARM芯片，它内带4路A/D转换器，带CAN总线接口，多路开关采用74HC4051八通道多路转换器，其工作过程如下：

1.用INA148测出两片电极间的电压差V_O＝(Vin+)-(Vin-)

2.用8选1多路开关在8片电极间轮流切换。

3.将V_O送A/D进行转换。

4.将转换的数字量和电压值对应。

5.重复以上1-4步，得到32路电极的电压值。

6.将各个电极之间的电压差用程序相加得到总电压。

实施例2

结合测量燃料电池电堆的第4，5两片电极的电压差时的实施例对本发明的方法作进一步的叙述。

结合图2，当需要测量燃料电池电堆的4，5两片电极的电压差时，工作过程如下：

1.接在4，5两片电极之间的INA148得到了电极4和电极5电压差的模拟信号V_O＝(Vin+)-(Vin-)。

2.用LPC2119的P0.16，P0.17，P0.18三个I/O口对多路开关1进行选通，选通状态表如下：

P0.18	P0.17	P0.16	选通的电极电极电压差
P0.18	P0.17	P0.16	选通的电极电极电压差	0	0	0	1，2电极电压差
0	0	1	2，3电极电压差	0	0	0	1，2电极电压差
0	0	1	2，3电极电压差	0	1	0	3，4电极电压差
0	1	1	4，5电极电压差	0	1	0	3，4电极电压差
0	1	1	4，5电极电压差	1	0	0	5，6电极电压差

1	0	1	6，7电极电压差
1	0	1	6，7电极电压差	1	1	0	7，8电极电压差
1	1	1	8，9电极电压差	1	1	0	7，8电极电压差

编制软件程序控制可使P0.18＝0，P0.17＝1，P0.16＝1，选通多路开关。

3.用A/D1对V_O进行数模转换。

4.将转换的数字量和电压值对应。

5.获得到4，5两片电极的电压差。

实施例3

结合单片机分析燃料电池电压的监测信息的实施例对本发明的方法作进一步的叙述。

结合图4，单片机分析燃料电池电压的监测信息的具体实现过程如下：

1.采样滤波

单片机通过片选选择测量点，每隔5ms对燃料电池堆301中每一个监测点采样一次，即每秒采样200次。每20次的测量值，去除最大值、最低值后加权计算平均值得到测量值。这样每隔100ms得到一次测量值。

2.数据通讯

首先累加上述测量值得到总电压。根据上述测量值计算出电压值最低的监测点的编号及电压值。当某一监测点的电压低于燃料电池电极所允许的极限值并超过允许时间时，产生一个关机信息。当某一监测点的电压低于燃料电池电极所允许的故障值并超过允许时间时，产生一个故障信息。把上述信息通过一帧(多帧)数据发送到CAN总线上。

3.其他

在使用到活化电极等需要知道每个监测点电压的场合时，允许用户激活发送所有监测点电压值的功能。

例如，在50KW燃料电池发电站上，共有480张电极，每个电压监测点监测2张电极，共有240个电压监测点。燃料电池分为四个模块，使用四个电压监测器，每个电压监测器监测60个电压监测点。使用上述方法，每个电压监测器间隔0.2s向控制器发送一次所监测的电压监测点的燃料电池电极运行情况。四个电压监测器一共向控制器发送20帧CAN数据。(通常的作法如果达到0.2s向控制器通知一次所有的电压监测点的情况，至少需要发送300帧CAN数据。电压监测点/每帧CAN最多电压监测点数据/时间间隔)

Claims

1.一种安全准确的燃料电池电压监测装置，其特征在于，该装置包括单电池电压检测器、燃料电池控制器，所述的单电池电压检测器包括若干差分放大器、若干多路开关、具有控制器区域总线(CAN总线)通讯接口的单片机，所述的单片机包括A/D转换器和CPU，所述的若干差分放大器与需要监测的单电池一一对应连接，监测燃料电池电堆的两片单电极间的电压差，所述的多路开关在CPU的控制下轮流切换断开或导通，所述的A/D转换器将多路开关导通时获取的差分放大器输出电压信号转换为数字信号，所述的CPU获取该数字信号并经过分析得到对燃料电池电压的监测信息，单片机将该监测信息通过CAN总线发送到燃料电池控制器。

2.根据权利要求1所述的一种安全准确的燃料电池电压监测装置，其特征在于，所述的差分放大器为一种精确的低功耗单位增益差分放大器，在通常模式下有较大的输入范围，它由一个带超高精度薄膜电阻网络的超精密双极运算放大器组成，有较精确的1V/1差分增益和在共模方式下有较高的抑制比，电阻网络卓越的温度特性曲线，适用于-40℃到+85℃工业现场环境。

3.根据权利要求1或2所述的一种安全准确的燃料电池电压监测装置，其特征在于，所述的燃料电池的每相邻两块单电极使用一个差分放大器，监测具有多个单电极的燃料电池电堆电压时，顺序采用多片差分放大器；所述的差分放大器有低、高两个电压信号输入端Vin-、Vin+和一个输出端V_O；燃料电池的每个单电极有一个电压输出端；燃料电池电堆中第一片单电极的电压输出端仅与第一片差分放大器的低电压输入端Vin-相连，最末一片单电极的电压输出端仅与最末一片差分放大器的高电压输入端Vin+相连，其它每一个单电极的电压输出端分为两路，分别与相邻两差分放大器的高、低电压输入端相连。

4.根据权利要求1所述的一种安全准确的燃料电池电压监测装置，其特征在于，所述的多路开关输入端与差分放大器的输出端对应连接，当差分放大器的个数超过一个多路开关的输入端连接数时，采用多个多路开关，多路开关在CPU控制下轮流导通。

5.根据权利要求1所述的一种安全准确的燃料电池电压监测装置，其特征在于，所述的A/D转换器的输入端与多路开关的输出端相连，当采用多个多路开关时，对应采用多个A/D转换器。

6.根据权利要求1所述的一种安全准确的燃料电池电压监测装置，其特征在于，所述的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燃料电池单电池电压监测器。

7.根据权利要求1所述的一种安全准确的燃料电池电压监测装置，其特征在于，所述的监测装置可以实时对所监测的燃料电池电极的性能进行分析，所述的监测点的分析信息包括电压最低的一个或几个监测点的编号及电压值，当某个监测点的电压低于燃料电池电极所允许的极限值并超过允许时间时产生的关机信息，当某个监测点的电压低于燃料电池电极所允许的故障值并超过允许时间时产生的故障信息，所有监测点的总电压值。

8.根据权利要求1所述的一种安全准确的燃料电池电压监测装置，其特征在于，所述的监测装置可选择发送所有监测点电压值。