CN203869736U - 用于海洋浮标的燃料电池工作参数检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于海洋浮标的燃料电池工作参数检测装置，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电系统的工作参数进行检测，所述检测装置安装在海洋浮标的舱体内，包括壳体以及外置于壳体的参数检测单元；在所述壳体中设置有控制器，所述参数检测单元将生成的检测信号传输至控制器，通过控制器传送至无线通信模块，通过无线通信模块将检测信号转换成无线信号，发送至远程的岸站监测站。本实用新型的燃料电池工作参数检测装置结构简单、紧凑，体积小，成本低，适合应用在海洋浮标中，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电系统的工作参数进行检测，并发送至远程的岸站监测站，从而实现了远程监控，确保了系统长期运行的安全性和稳定性。

Description

用于海洋浮标的燃料电池工作参数检测装置

技术领域

 本实用新型属于电池检测技术领域，具体地说，是涉及一种用于对安装在海洋浮标上的燃料电池的工作参数进行检测的装置。

背景技术

燃料电池作为一种新能源供电技术，最大的优势就是能量密度特别高。因此，在同等的体积和质量条件下，燃料电池能够为海洋浮标提供更长久的续航能力。

燃料电池供电系统因为由多个器件、多个仪表和多个控制单元组成，系统参数多而且参数之间存在很强的非线性动态耦合特性，所以，燃料电池发电系统的结构集成和控制设计十分重要，也十分复杂。针对海洋浮标的特殊应用环境和要求，燃料电池供电系统要求高度的集成化和小型化，强调系统长期自动化运行的可靠性和高效性。

通过近两年的科研攻关，我国已经研制出一套可适用于海洋浮标的固体氧化物燃料电池供电设备样机,并通过大量的系统功能测试，开始安装到海洋浮标的舱体内进行自主的示范运行。在示范运行期间，为了更好地了解燃料电池供电系统的运行情况，确保其长期运行的安全性和可靠性，需要对燃料电池的工作参数进行实时或定时的检测。但是，目前应用于燃料电池供电系统的成熟测试平台虽然功能强大，但是体积庞大而且成本很高，不适合在海洋浮标舱体内的实际应用。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于对燃料电池的工作参数进行自动检测的装置，并满足在海洋浮标上的安装要求。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种用于海洋浮标的燃料电池工作参数检测装置，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电系统的工作参数进行检测，在所述燃料电池供电系统中设置有重整器、电堆、燃烧室和换热器；所述检测装置安装在海洋浮标的舱体内，包括壳体以及外置于壳体的参数检测单元；在所述参数检测单元中设置有：

燃料流量计，安装在重整器的燃料入口处，对进入到重整器的燃料流量进行检测；

可燃气体探测器，安装在燃料电池供电系统的外部，对泄露到供电系统外部的可燃气体进行检测；

温度传感器，包括多个，分别对应安装在重整器、电堆、燃烧室和换热器的内部以及与电堆、燃烧室和换热器对应连通的部分输气管道中，对各监测点的温度进行检测；

电压传感器和电流传感器，分别连接在燃料电池的供电输出线路中，对通过燃料电池输出的电压和电流进行检测；

在所述壳体中设置有控制器，所述参数检测单元将生成的检测信号传输至控制器，通过控制器传送至内置或者外置壳体的无线通信模块，通过无线通信模块将检测信号转换成无线信号，发送至远程的岸站监测站。

由于固体氧化物燃料电池供电系统在工作过程中，是高浓度的可燃气体在高温下反应，为了对各监测点温度实现准确测量的同时，确保系统能够安全稳定地运行，本实用新型对各个温度传感器的安装位置进行特殊设计，将用于检测重整器、电堆、燃烧室和换热器的内部温度的温度传感器，分别对应安装在重整器、电堆、燃烧室和换热器内部侧壁的正中心部位；用于检测输入到燃烧室中的空气和氢气温度的温度传感器，对应安装在与燃烧室的空气入口和氢气入口对应连通的输气管道中且紧邻燃烧室的位置；用于检测通过电堆排出的空气和燃气温度的温度传感器，对应安装在与电堆的空气出口和燃气出口对应连通的输气管道中且紧邻电堆的位置；用于检测输入到换热器中的烟气温度的温度传感器，安装在与换热器的烟气入口连通的输气管道中且紧邻换热器的位置。

进一步的，在所述的各检测点安装温度传感器时，在对应每个监测点的输气管道上或者重整器、电堆、燃烧室、换热器的侧壁上分别开设有通孔，在输气管道的外壁或者重整器、电堆、燃烧室、换热器的外侧壁上与所述通孔相对应的位置分别安装有一个底座，所述温度传感器通过通孔伸入到输气管道中或者伸入到重整器、电堆、燃烧室、换热器的内部，并固定在底座上，并通过活动卡套对所述通孔进行密封。

优选的，所述温度传感器优选采用热电偶温度传感器；所述可燃气体探测器安装在距离电堆上方0.3m的位置处。

进一步的，在所述参数检测单元中还设置有空气流量计，安装在燃料电池供电系统中鼓风机的出口位置，对通过鼓风机排出的空气流量进行检测。

又进一步的，所述燃料流量计、空气流量计、温度传感器、电压传感器和电流传感器输出模拟量的检测信号通过多路选择可编程增益放大器进行单路选通后，传输至A/D转换器转换成数字量信号，经由锁存器锁存并通过整形滤波隔离电路处理后，输出至控制器；所述控制器输出通道选择信号和增益控制信号至所述的多路选择可编程增益放大器；所述可燃气体探测器输出数字量的检测信号传输至所述的控制器。

再进一步的，在所述检测装置中还设置有安装于壳体内部的SD卡数据存储模块，所述控制器通过SPI总线与所述的SD卡数据存储模块连接通信，其中，在SPI总线的数据输入信号线和时钟信号线中连接有对输入数据和时钟信号进行锁存的锁存器，所述锁存器连接实时时钟芯片，接收实时时钟芯片输出的时钟信号。

优选的，在所述检测装置中还设置有显示单元，连接所述的控制器，对检测到的工作参数进行本地显示。

进一步的，所述控制器通过其UART接口连接一TTL-RS232电平转换芯片，通过电平转换芯片连接RS232接口，通过RS232接口与所述的无线通信模块连接通信。

优选的，所述无线通信模块优选采用北斗通信模块，所述控制器将检测到的工作参数发送至北斗通信模块，通过北斗通信模块转换成射频信号，经由北斗卫星传送至远程的岸站监测站。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的燃料电池工作参数检测装置结构简单、紧凑，体积小，成本低，适合应用在海洋浮标中，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电系统的工作参数进行检测，并通过将检测到的工作参数以无线的方式发送至远程的岸站监测站，从而实现了工作人员对投放在海洋中各监测点的燃料电池供电系统的远程监控，确保了系统长期运行的安全性和稳定性。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本实用新型所提出的燃料电池工作参数检测装置的一种实施例的系统架构示意图；

图2是本实用新型所提出的燃料电池工作参数检测装置的一种实施例的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细地描述。

本实施例的燃料电池工作参数检测装置主要由控制器和参数检测单元等部分组成，其中，控制器作为整个装置的核心部件，内置于壳体中，并与外置壳体的参数检测单元相连接，接收参数检测单元输出的检测信号。所述参数检测单元用于在燃料电池供电系统的运行期间内，对供电系统的各项工作参数进行实时检测，具体可包括燃料流量计、空气流量计、可燃气体探测器、温度传感器、电压传感器和电流传感器等主要检测元件，对影响燃料电池供电系统安全运行的各项工作参数实现全方位的检测。

结合现有燃料电池供电系统的具体构成：通常都设置有重整器、电堆、燃烧室、换热器和鼓风机等主要组成部分，本实施例对参数检测单元中各个检测元件在燃料电池供电系统中的具体安装位置进行专门设计，以期在保证检测精度的前提下，确保检测元件及系统运行的安全性和可靠性。具体来讲，本实施例优选将燃料流量计安装在重整器的燃料入口处，对进入到重整器的燃料流量进行检测；将空气流量计安装在鼓风机的出口位置，对通过鼓风机排出的空气的流量进行检测；将可燃气体探测器安装在燃料电池供电系统的外部，对泄露到供电系统外部的可燃气体进行及时监测，具体可以固定安装在距离电堆上方0.3m的位置处，由于可燃气体密度小于空气，当其泄露后会扩散上浮，因此将可燃气体探测器安装在电堆上方，可以有效地检测到泄露的可燃气体；将电压传感器和电流传感器分别连接在燃料电池的供电输出线路中，对通过燃料电池输出的电压和电流进行检测；对于温度传感器来说，由于供电系统中需要监测温度变化的点比较多，因此可以设置多个温度传感器，分别对应安装在重整器、电堆、燃烧室和换热器的内部以及与电堆、燃烧室和换热器对应连通的输气管道中，对需要测温的各个监测点进行实时地温度检测。

在本实施例中，主要列举了九处需要观察温度变化的监测点，分别是：重整器内部温度、换热器内部温度、燃烧室内部温度、电堆内部温度、输入到燃烧室的空气温度和氢气温度、通过电堆排出的空气温度和燃气温度、输入到换热器的烟气温度。因为在所有的燃料电池中，固体氧化物燃料电池的工作温度最高，属于高温燃料电池，工作温度一般在700～1000℃。因此，本实施例中用于检测燃料电池供电系统的温度参数的温度传感器最好选择测温范围广、测量精度高的K型热电偶温度传感器。K型热电偶温度传感器可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度，且同时具有线性度好、热电动势大、灵敏度高、稳定性和均匀性好、抗氧化性能强等优点，因此非常适合应用于固体氧化物燃料电池的系统测温。

鉴于系统工作过程中是高浓度的可燃气体在高温下反应，在精确测量上述各监测点的温度的同时，还需要保证温度传感器和供电系统能够安全稳定的运行。所以，在本实施例中，用于测量燃烧室、电堆、重整器、换热器内部温度的热电偶温度传感器可以分别安装在燃烧室、电堆、重整器、换热器内部的侧壁上，且最好位于侧壁的正中心部位。具体安装固定方式可以是：在所述侧壁的正中心部位钻孔，即开设通孔，并在所述侧壁的外侧与所述通孔相对应的位置焊接一个底座，将热电偶温度传感器的探头通过通孔伸入到燃烧室、电堆、重整器、换热器的内部且调整其位置到合适的位置后，将所述热电偶温度传感器固定到底座上，具体可以采用螺纹连接方式安装固定，然后再利用活动卡套对所述通孔进行密封，从而保证热电偶温度传感器的安装和固定不会影响燃烧室、电堆、重整器和换热器的内部结构和功能，同时能够准确测量到燃烧室、电堆、重整器和换热器的内部温度。在本实施例中，用于测量电堆、燃烧室、换热器出入口气体温度的热电偶温度传感器均被安装在紧邻电堆、燃烧室、换热器的出入口的输气管道上，这样可以最大限度的减小热电偶安装后对系统运行的影响，并可以精确地检测所需的被测温度。具体来讲，可以将用于检测输入到燃烧室中的空气温度的热电偶安装在与燃烧室的空气入口相连通的输气管道中，且紧邻燃烧室的位置处；将用于检测输入到燃烧室中的氢气温度的热电偶安装在与燃烧室的氢气入口相连通的输气管道中，且紧邻燃烧室的位置处；将用于检测通过电堆排出的空气温度的热电偶安装在与电堆的空气出口（即电堆的阴极）相连通的输气管道中，且紧邻电堆的位置处；将用于检测通过电堆排出的燃气温度的热电偶安装在与电堆的燃气出口（即电堆的阳极）相连通的输气管道中，且紧邻电堆的位置处；将用于检测输入到换热器中的烟气温度（即高热气体）的热电偶，安装在与换热器的烟气入口相连通的输气管道中，且紧邻换热器的适当位置。对于热电偶在输气管道上的具体安装方式，可以采用在输气管道上已确定的各温度监测点的位置钻孔，即在输气管道的管壁上形成通孔，然后在输气管道的外壁开设通孔的位置处焊接一个底座，将热电偶的探头通过通孔伸入到输气管道中，并调整到适当的位置后，将热电偶固定在底座上，并通过活动卡套对所述通孔进行密封，保证热电偶能正常工作并且气体不会通过热电偶的安装部位向外泄露。

当然，各个检测元件的具体安装位置和固定方式也可以采用其他设计方式，本实施例并不仅限于以上举例。

对于本实施例所使用的各类检测元件，其中，燃料流量计、空气流量计、温度传感器、电压传感器和电流传感器可以选用模拟量传感器，输出模拟量的检测信号，传输至多路选择可编程增益放大器，参见图2所示。所述多路选择可编程增益放大器接收控制器输出的通道选择信号和增益控制信号，进而选通其中一路模拟信号并进行增益放大处理后，输出至A/D转换器，通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，传输至锁存器1进行数据锁存，然后通过整形滤波隔离电路进行处理后，输出至所述的控制器。控制器通过控制多路选择可编程增益放大器依次选通与其连接的各路检测元件，从而实现对各个工作参数的采集。在本实施例中，所述A/D转换器优选采用12位A/D转换器，以提高模数转换精度。

为了方便本实施例的工作参数检测装置在日后的使用过程中增设更多的模拟检测元件，完成更多的检测任务，本实施例在检测装置上设置18路模拟信号输入接口，其中13路分别与所述的燃料流量计、空气流量计、电压传感器、电流传感器和9个温度传感器一一对应连接，另外5路模拟信号输入接口预留。

对于本实施的可燃气体探测器，可以选用数字量传感器，输出数字量的检测信号传输至所述的控制器。例如，当可燃气体探测器检测到可燃气体时，输出高电平信号至控制器，若未检测到可燃气体，则输出低电平信号。控制器根据接收到的高低电平信号，判断供电系统是否发生可燃气体泄露故障。

在本实施例中，优选在所述检测装置上设置4路数字量输入接口，其中一路连接所述的可燃气体探测器，另外三路预留，以便在后期使用过程中扩展接入更多的数字量检测元件，实现对供电系统更多工作参数的检测。

综合考虑海洋浮标监测对功能、效率、功耗、成本等方面的要求，本实施例优选采用ARM控制器作为装置的核心处理器，对装置中的各功能电路实现协同控制。

如图2所示，在本实施例的检测装置中还设置有大容量的SD卡数据存储模块，用于对检测到的各类工作参数进行存储。作为本实施例的一种优选设计方案，所述控制器优选通过其SPI接口与SD卡数据存储模块连接通信。通过控制器输出的数据DATA_OUT和片选信号CS可以直接通过SPI总线的相应信号线传输至SD卡数据存储模块；通过控制器输出的时钟信号SCLK以及由SD卡数据存储模块传输至控制器的输入数据DATA_IN可以经由一个锁存器2缓存后，再进行传输。将所述锁存器2与一实时时钟芯片（RTC时钟芯片）连接，通过RTC时钟芯片提供当前的工作时钟，以方便存储记录时间并进行时间校准。

对于检测装置中各用电负载所需的工作电源，可以采用在装置中设置稳压电源模块的方式，例如设置5V稳压电源模块、3.3V稳压电源模块等，将海洋浮标提供的+12V直流电源转换成+5V直流电源和+3.3V直流电源，为不同的用电负载供电。例如：+5V直流电源可以为控制器、RTC时钟芯片供电；+3.3V直流电源可以为SD卡数据存储模块等供电。

为了方便工作参数的现场监测，可以在检测装置上设置显示单元，例如液晶显示器，连接所述的控制器，将控制器接收到的工作参数通过液晶显示器显示输出，供现场工作人员观测。

考虑到本实施例所提出的燃料电池工作参数检测装置的特殊工作环境，本实施例将图2所示的控制器、显示器、稳压电源模块、SD卡数据存储模块、多路选通可编程增益放大器、A/D转换器、锁存器1、2以及整形滤波隔离电路等除参数检测单元以外的其他电子部件内置于一封闭的壳体中，并通过防水插头外接所述的参数检测单元。将整个装置设置于海洋浮标的舱体内，并将参数检测单元中的各检测元件安装于海洋浮标舱体内燃料电池供电系统的相应部位。

为了方便工作在岸站监测站的工作人员随时观察投放在待测海域中各个海洋浮标舱内燃料电池供电系统的工作状态，本实施例在所述燃料电池工作参数检测装置中还设置有无线通信模块，连接所述的控制器，将控制器处理输出的工作参数转换成无线信号，发送至远程的岸站监测站，结合图1、图2所示。

作为本实施例的一种优选设计方案，所述无线通信模块优选采用北斗通信模块，经由北斗卫星实现工作参数的远程传输。具体来讲，可以在检测装置的壳体上设置RS232串口，通过RS232串口外接北斗通信模块，例如北斗卫星发送机，在壳体内部设置TTL-RS232电平转换芯片，通过TTL-RS232电平转换芯片连接控制器的UART接口UART1，将控制器输出的TTL电平信号转换成RS232串行数据，传输至北斗卫星发送机，通过北斗卫星发送机转换成射频信号，经由北斗卫星发送至岸站监测站。岸站监测站利用其安装的北斗卫星接收机接收来自不同检测装置发来的检测数据，实现对安装在不同海洋浮标舱体内的燃料电池供电系统的工作状况的随时监测。

当然，所述无线通信模块也可以采用其他支持无线通信的功能模块进行装置的整体设计，无线通信模块也可以安装在壳体的内部，本实施例对此不进行具体限制。

在本实施例的检测装置的壳体上还可以预留一个串口，参见图2所示，连接所述控制器的另外一路UART接口UART2，用于外接笔记本，实现对检测装置的现场调试。

当然，以上所述仅是本实用新型的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于海洋浮标的燃料电池工作参数检测装置，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电系统的工作参数进行检测，在所述燃料电池供电系统中设置有重整器、电堆、燃烧室和换热器；其特征在于：所述检测装置安装在海洋浮标的舱体内，包括壳体以及外置于壳体的参数检测单元；在所述参数检测单元中设置有

燃料流量计，安装在重整器的燃料入口处，对进入到重整器的燃料流量进行检测；

可燃气体探测器，安装在燃料电池供电系统的外部，对泄露到供电系统外部的可燃气体进行检测；

温度传感器，包括多个，分别对应安装在重整器、电堆、燃烧室和换热器的内部以及与电堆、燃烧室和换热器对应连通的部分输气管道中，对各监测点的温度进行检测；

电压传感器和电流传感器，分别连接在燃料电池的供电输出线路中，对通过燃料电池输出的电压和电流进行检测；

在所述壳体中设置有控制器，所述参数检测单元将生成的检测信号传输至控制器，通过控制器传送至内置或者外置壳体的无线通信模块，通过无线通信模块将检测信号转换成无线信号，发送至远程的岸站监测站。

2.根据权利要求1所述的用于海洋浮标的燃料电池工作参数检测装置，其特征在于：在所述温度传感器中，用于检测重整器、电堆、燃烧室和换热器的内部温度的温度传感器，分别对应安装在重整器、电堆、燃烧室和换热器内部侧壁的正中心部位；用于检测输入到燃烧室中的空气和氢气温度的温度传感器，对应安装在与燃烧室的空气入口和氢气入口对应连通的输气管道中且紧邻燃烧室的位置；用于检测通过电堆排出的空气和燃气温度的温度传感器，对应安装在与电堆的空气出口和燃气出口对应连通的输气管道中且紧邻电堆的位置；用于检测输入到换热器中的烟气温度的温度传感器，安装在与换热器的烟气入口连通的输气管道中且紧邻换热器的位置。

3.根据权利要求2所述的用于海洋浮标的燃料电池工作参数检测装置，其特征在于：在所述的各监测点安装温度传感器时，在对应每个监测点的输气管道上或者重整器、电堆、燃烧室、换热器的侧壁上分别开设有通孔，在输气管道的外壁或者重整器、电堆、燃烧室、换热器的外侧壁上与所述通孔相对应的位置分别安装有一个底座，所述温度传感器通过通孔伸入到输气管道中或者伸入到重整器、电堆、燃烧室、换热器的内部，并固定在底座上，并通过活动卡套对所述通孔进行密封。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于海洋浮标的燃料电池工作参数检测装置，其特征在于：所述温度传感器为热电偶温度传感器；所述可燃气体探测器安装在距离电堆上方0.3m的位置处。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的用于海洋浮标的燃料电池工作参数检测装置，其特征在于：在所述参数检测单元中还设置有空气流量计，安装在燃料电池供电系统中鼓风机的出口位置，对通过鼓风机排出的空气流量进行检测。

6.根据权利要求5所述的用于海洋浮标的燃料电池工作参数检测装置，其特征在于：所述燃料流量计、空气流量计、温度传感器、电压传感器和电流传感器输出模拟量的检测信号通过多路选择可编程增益放大器进行单路选通后，传输至A/D转换器转换成数字量信号，经由锁存器锁存并通过整形滤波隔离电路处理后，输出至控制器；所述控制器输出通道选择信号和增益控制信号至所述的多路选择可编程增益放大器；所述可燃气体探测器输出数字量的检测信号传输至所述的控制器。

7.根据权利要求5所述的用于海洋浮标的燃料电池工作参数检测装置，其特征在于：在所述检测装置中还设置有安装于壳体内部的SD卡数据存储模块，所述控制器通过SPI总线与所述的SD卡数据存储模块连接通信，其中，在SPI总线的数据输入信号线和时钟信号线中连接有对输入数据和时钟信号进行锁存的锁存器，所述锁存器连接实时时钟芯片，接收实时时钟芯片输出的时钟信号。

8.根据权利要求5所述的用于海洋浮标的燃料电池工作参数检测装置，其特征在于：在所述检测装置中还设置有显示单元，连接所述的控制器。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的用于海洋浮标的燃料电池工作参数检测装置，其特征在于：所述控制器通过其UART接口连接一TTL-RS232电平转换芯片，通过电平转换芯片连接RS232接口，通过RS232接口与所述的无线通信模块连接通信。

10.根据权利要求9所述的用于海洋浮标的燃料电池工作参数检测装置，其特征在于：所述无线通信模块为北斗通信模块，所述控制器将检测到的工作参数发送至北斗通信模块，通过北斗通信模块转换成射频信号，经由北斗卫星传送至远程的岸站监测站。