CN207800760U - 一种质子交换膜燃料电池测控系统 - Google Patents

Abstract

一种质子交换膜燃料电池测控系统，包括氢气供应系统、氧气供应系统、氮气吹扫预热系统、电堆系统、废水废气回收利用系统、氢气报警系统、数据采集与控制系统。本实用新型所突出的特点在于所述的氮气吹扫预热系统连接电加热丝，在对整个系统进行吹扫的同时可以对电堆进行预加热，达到电堆正常工作所需的温度，实现电堆在低温环境下的启动。所述的数据采集与控制系统可以在质子交换膜燃料电池运行时采集和控制多个参数，使质子交换膜燃料电池始终在最佳状态运行。所述的氢气报警系统检测氢气是否泄露。所述的废水废气回收利用系统使未完全反应的气体继续参与反应，回收的废水用于加湿罐补给，使整个系统在高效工作的同时更安全、更环保。

Description

一种质子交换膜燃料电池测控系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池测控系统。

背景技术

燃料电池是通过电化学反应直接将化学能转化为电能的装置，不受卡诺循环限制，其效率是内燃机效率的3倍。燃料电池工作方式与内燃机类似，理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以持续供电，且其反应生成水，无污染，在能源问题日益严重的今天，燃料电池这种高效、洁净的能量转化装置得到了各国政府、开发商及研究机构的普遍重视。

根据所用电解质不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池五类。其中，质子交换膜燃料电池工作温度较低，大概在60-80℃，发电效率高(LHV)(40％-60％)，启停速度快(＜1min)，功率密度高，内部结构紧凑，污染零排放，在便携式发电、移动式发电以及固定式发电领域均有广阔的应用前景。

质子交换膜燃料电池是一个水管理和热管理相耦合的复杂系统，其性能受温度、压力、湿度等因素影响，改变其中任何一个参数都会影响电池性能。因此需要一套完整的测试系统并设计相应的测试程序对相关参数进行实时监测并控制，确定影响质子交换膜燃料电池性能的原因以及控制方法，使其始终在安全高效的状态下运行。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题及需要，提出一种质子交换膜燃料电池测控系统，可以同时采集和控制多个参数并实现质子交换膜燃料电池在低温环境下的正常启动，设计合理，结构简单，安全高效环保。

本实用新型通过以下技术方案来实现：

本实用新型公开了一种质子交换膜燃料电池测控系统，包括氢气供应系统、氧气供应系统、氮气吹扫预热系统、电堆系统、废水废气回收利用系统、氢气报警系统、数据采集与控制系统；所述的氢气供应系统包括氢气罐、过滤器一、减压阀一、电磁阀一、质量流量计一、单向阀一、电磁阀二、压力传感器一、温湿度传感器一、电磁阀三、加湿罐一、液位计一、电加热圈一、温控仪一；所述的氧气供应系统包括氧气罐、过滤器二、减压阀二、电磁阀四、质量流量计二、单向阀二、电磁阀五、压力传感器二、温湿度传感器二、电磁阀六、加湿罐二、液位计二、电加热圈二、温控仪二；所述的氮气吹扫预热系统包括氮气罐一、减压阀三、电磁阀七、电加热丝一、氮气罐二、减压阀四、电磁阀八、电加热丝二；所述的电堆系统包括质子交换膜燃料电池、电子负载、压力传感器三、温湿度传感器三、散热风扇、背压阀、储水罐一；所述的废水废气回收利用系统包括汽水分离器一、汽水分离器二、离子交换器一、离子交换器二、储水罐二、储水罐三；所述的氢气报警系统包括一台氢气报警器；所述的数据采集与控制系统是一台可以编程的上位PC机。

作为进一步的改进，所述氢气供应系统中的氢气罐、过滤器一、减压阀一、电磁阀一、质量流量计一、单向阀一依次连接，所述的电磁阀三与加湿罐一串联构成加湿支路一，所述的加湿支路一与电磁阀二并联后与压力传感器一、温湿度传感器一依次连接；所述的加湿支路一，包括加湿罐一、液位计一、电加热圈一、温控仪一，采用鼓泡加湿原理，气体从进气口进入到加湿罐一底部，通过去离子水加热加湿后向上通过气体出口排出，所述的加湿罐一外接液位计一、电加热圈一和温控仪一，通过加热到不同的温度来实现湿度的控制并观察液位变化，所述的加湿罐一设有补水口。

作为进一步的改进，所述的氧气供应系统中的氧气罐、过滤器二、减压阀二、电磁阀四、质量流量计二、单向阀二依次连接，所述的电磁阀六与加湿罐二串联构成加湿支路二，所述的加湿支路二与电磁阀五并联后与压力传感器二、温湿度传感器二依次连接；所述的加湿支路二，包括加湿罐二、液位计二、电加热圈二、温控仪二，采用鼓泡加湿原理，气体从进气口进入到加湿罐二底部，通过去离子水加热加湿后向上通过气体出口排出，所述的加湿罐二外接液位计二、电加热圈二和温控仪二，通过加热到不同的温度来实现湿度的控制并观察液位变化，所述加湿罐二设有补水口。

作为进一步的改进，所述的氮气吹扫预热系统中的氮气罐一、减压阀三、电磁阀七、电加热丝一与所述的加湿支路一、电磁阀二连接后依次与压力传感器一、温湿度传感器一连接构成所述氢气供应系统中的氮气吹扫支路；所述的氮气罐二、减压阀四、电磁阀八、电加热丝二与所述的加湿支路二、电磁阀五连接后依次与压力传感器二、温湿度传感器二连接构成氧气供应系统中的氮气吹扫支路；所述的电加热丝一、电加热丝二对氮气进行加热，使得氮气在吹扫的同时可以对电堆进行预加热，达到电堆正常工作所需的温度，实现电堆在低温环境下的启动。

作为进一步的改进，所述的电堆系统中的电子负载与质子交换膜燃料电池连接；所述的压力传感器三、温湿度传感器三依次与质子交换膜燃料电池连接；所述的散热风扇与质子交换膜燃料电池密封连接；所述的背压阀、储水罐一依次与质子交换膜燃料电池连接，用于收集反应生成的水。

作为进一步的改进，所述的废水废气回收利用系统中的汽水分离器一一端与电堆氢气出气口连接，一端与氢气罐连接，用于收集未反应完全的氢气并分离出干燥的氢气输送至氢气罐继续参与反应；所述的离子交换器一一端与汽水分离器一连接，一端依次与储水罐二和加湿罐一补水口连接，用于收集汽水分离器一分离出的水并将其处理为去离子水，对加湿罐一进行补给；所述的汽水分离器二一端与电堆氧气出气口连接，一端与氧气罐连接，用于收集未反应完全的氧气并分离出干燥的氧气输送至氧气罐继续参与反应；所述的离子交换器二一端与汽水分离器二连接，一端依次与储水罐三和加湿罐二补水口连接，用于收集汽水分离器二分离出的水并将其处理为去离子水，对加湿罐二进行补给。

作为进一步的改进，所述的氢气报警系统，当氢气泄露达到所设上限值时，所述的氢气报警器发出报警声并向电磁阀一发出电信号切断氢气供应。

作为进一步的改进，数据采集与控制系统分别与电磁阀一、质量流量计一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、质量流量计二、电磁阀五、电磁阀六、压力传感器一、压力传感器二、压力传感器三、温湿度传感器一、温湿度传感器二、温湿度传感器三、温控仪一、温控仪二、电子负载、散热风扇连接，用于采集数据，监测电堆运行状态并发出控制信号。

本实用新型的有益效果是，氮气吹扫预热系统连接有电加热丝，氮气在吹扫的同时可以对电堆进行预加热，达到电堆正常工作所需的温度，实现电堆在低温环境下的启动。废水废气回收利用系统通过汽水分离器可以将未反应完的气体及其带出的液体分离，干燥的气体回收到燃料供应系统中继续参与反应，分离出的水经过离子交换器处理为去离子水储存在储水罐中，对加湿罐进行补给。质子交换膜燃料电池尾端连接有背压阀、储水罐以及散热风扇，用于收集反应产生的水，带走电池反应产生的热，使整个系统更高效环保。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型一种质子交换膜燃料电池测控系统结构示意图；

图2是本实用新型工作流程图。

图中：1.氢气罐，2.过滤器一，3.减压阀一，4.电磁阀一，5.质量流量计一，6.单向阀一，7.电磁阀二，8.压力传感器一，9.温湿度传感器一，10.电磁阀三，11.加湿罐一，12.液位计一，13.电加热圈一，14.温控仪一，15.氧气罐，16.过滤器二，17.减压阀二，18.电磁阀四，19.质量流量计二，20.单向阀二，21.电磁阀五，22.压力传感器二，23.温湿度传感器二，24.电磁阀六，25.加湿罐二，26.液位计二，27.电加热圈二，28.温控仪二，29.氮气罐一，30.减压阀三，31.电磁阀七，32.电加热丝一，33.氮气罐二，34.减压阀四，35.电磁阀八，36.电加热丝二，37.质子交换膜燃料电池，38.电子负载，39.压力传感器三，40.温湿度传感器三，41.散热风扇，42.背压阀，43.储水罐一，44.汽水分离器一，45.汽水分离器二， 46.离子交换器一，47.离子交换器二，48.储水罐二，49.储水罐三，50.氢气报警器，51.数据采集与控制系统。

具体实施方式

本实用新型公开了一种质子交换膜燃料电池测控系统，包括氢气供应系统、氧气供应系统、氮气吹扫预热系统、电堆系统、废水废气回收利用系统、氢气报警系统、数据采集与控制系统；所述的氢气供应系统包括氢气罐1、过滤器一2、减压阀一3、电磁阀一4、质量流量计一5、单向阀一6、电磁阀二7、压力传感器一8、温湿度传感器一9、电磁阀三10、加湿罐一11、液位计一12、电加热圈一13、温控仪一14；所述的氧气供应系统包括氧气罐15、过滤器二16、减压阀二17、电磁阀四18、质量流量计二19、单向阀二20、电磁阀五21、压力传感器二22、温湿度传感器二23、电磁阀六24、加湿罐二25、液位计二26、电加热圈二 27、温控仪二28；所述的氮气吹扫预热系统包括氮气罐一29、减压阀三30、电磁阀七31、电加热丝一32、氮气罐二33、减压阀四34、电磁阀八35、电加热丝二36；所述的电堆系统包括质子交换膜燃料电池37、电子负载38、压力传感器三39、温湿度传感器三40、散热风扇41、背压阀42、储水罐一43；所述的废水废气回收利用系统包括汽水分离器一44、汽水分离器二45、离子交换器一46、离子交换器二47、储水罐二48、储水罐三49；所述的氢气报警系统包括一台氢气报警器50；所述的数据采集与控制系统51是一台可以编程的上位PC 机。

所述的氢气供应系统中的氢气罐1、过滤器一2、减压阀一3、电磁阀一4、质量流量计一5、单向阀一6依次连接，所述的电磁阀三10与加湿罐一11串联构成加湿支路一，所述的加湿支路一与电磁阀二7并联后与压力传感器一8、温湿度传感器一9依次连接；所述的加湿支路一，包括加湿罐一11、液位计一12、电加热圈一13、温控仪一14，采用鼓泡加湿原理，气体从进气口进入到加湿罐一11底部，通过去离子水加热加湿后向上通过气体出口排出，所述的加湿罐一11外接液位计一12、电加热圈一13和温控仪一14，通过加热到不同的温度来实现湿度的控制并观察液位变化，所述的加湿罐一11设有补水口。

所述的氧气供应系统中的氧气罐15、过滤器二16、减压阀二17、电磁阀四18、质量流量计二19、单向阀二20依次连接，所述的电磁阀六24与加湿罐二25串联构成加湿支路二，所述的加湿支路二与电磁阀五21并联后与压力传感器二22、温湿度传感器二23依次连接；所述的加湿支路二，包括加湿罐二25、液位计二26、电加热圈二27、温控仪二28，采用鼓泡加湿原理，气体从进气口进入到加湿罐二25底部，通过去离子水加热加湿后向上通过气体出口排出，所述的加湿罐二25外接液位计二26、电加热圈二27和温控仪二28，通过加热到不同的温度来实现湿度的控制并观察液位变化，所述加湿罐二25设有补水口。

所述的氮气吹扫预热系统中的氮气罐一29、减压阀三30、电磁阀七31、电加热丝一32 与所述的加湿支路一、电磁阀二7连接后依次与压力传感器一8、温湿度传感器一9连接构成所述氢气供应系统中的氮气吹扫支路；所述的氮气罐二33、减压阀四34、电磁阀八35、电加热丝二36与所述的加湿支路二、电磁阀五21连接后依次与压力传感器二22、温湿度传感器二23连接构成氧气供应系统中的氮气吹扫支路；所述的电加热丝一32、电加热丝二36对氮气进行加热，使得氮气在吹扫的同时可以对电堆进行预加热，达到电堆正常工作所需的温度，实现电堆在低温环境下的启动。

所述的电堆系统中的电子负载38与质子交换膜燃料电池37连接；所述的压力传感器三 39、温湿度传感器三40依次与质子交换膜燃料电池37连接；所述的散热风扇41与质子交换膜燃料电池37密封连接；所述的背压阀42、储水罐一43依次与质子交换膜燃料电池37连接，用于收集反应生成的水。

所述的废水废气回收利用系统中的汽水分离器一44一端与电堆氢气出气口连接，一端与氢气罐1连接，用于收集未反应完全的氢气并分离出干燥的氢气输送至氢气罐1继续参与反应；所述的离子交换器一46一端与汽水分离器一44连接，一端依次与储水罐二48和加湿罐一11补水口连接，用于收集汽水分离器一44分离出的水并将其处理为去离子水，对加湿罐一11进行补给；所述的汽水分离器二45一端与电堆氧气出气口连接，一端与氧气罐15连接，用于收集未反应完全的氧气并分离出干燥的氧气输送至氧气罐15继续参与反应；所述的离子交换器二47一端与汽水分离器二45连接，一端依次与储水罐三49和加湿罐二25补水口连接，用于收集汽水分离器二45分离出的水并将其处理为去离子水，对加湿罐二25进行补给。

所述的氢气报警系统，当氢气泄露达到所设上限值时，所述的氢气报警器50发出报警声并向电磁阀一4发出电信号切断氢气供应。

所述的数据采集与控制系统分别与电磁阀一4、质量流量计一5、电磁阀二7、电磁阀三 10、电磁阀四18、质量流量计二19、电磁阀五21、电磁阀六24、压力传感器一8、压力传感器二22、压力传感器三39、温湿度传感器一9、温湿度传感器二23、温湿度传感器三40、温控仪一14、温控仪二28、电子负载38、散热风扇41连接，用于采集数据，监测电堆运行状态并发出控制信号。

本实用新型的工作原理或工作流程如下：

首先，开启氮气吹扫预热系统，对氢气供应系统和氧气供应系统进行吹扫的同时对电堆进行预加热，达到电堆正常工作所需的温度后关闭氮气吹扫预热系统；然后开启氢气供应系统和氧气供应系统使电池开始工作，同时数据采集与控制系统收集质量流量计一、质量流量计二、温控仪一、温控仪二、压力传感器一、温湿度传感器一、压力传感器二、温湿度传感器二、压力传感器三、温湿度传感器三、电子负载的数据，并判断电堆运行状态：通过观察压力传感器三、温湿度传感器三和电子负载的数据，向电磁阀一和电磁阀四发出控制信号，控制放出气体流量；向电磁阀二、电磁阀三、电磁阀五、电磁阀六发出控制信号，控制是否需要加湿，若需要加湿，向温控仪一和温控仪二发出控制信号，通过调节加热温度来调节加湿程度；若电堆温度过高，向散热风扇发出控制信号，启动散热风扇对电堆进行散热；未反应完全的气体通过汽水分离器，分离出的干燥气体进入燃料供应系统继续参与反应，分离出的液体通过离子交换器处理为去离子水储存在储水罐中用于加湿罐的补给；若发生氢气泄露，氢气报警器启动向电磁阀一发出控制信号，关闭电磁阀一，切断氢气供应。整体构成一个闭环反馈调节系统，使电堆始终在环保高效安全的状态下工作。

本实用型不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，对于本实用新型做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种质子交换膜燃料电池测控系统，其特征在于，包括氢气供应系统、氧气供应系统、氮气吹扫预热系统、电堆系统、废水废气回收利用系统、氢气报警系统、数据采集与控制系统；所述的氢气供应系统包括氢气罐(1)、过滤器一(2)、减压阀一(3)、电磁阀一(4)、质量流量计一(5)、单向阀一(6)、电磁阀二(7)、压力传感器一(8)、温湿度传感器一(9)、电磁阀三(10)、加湿罐一(11)、液位计一(12)、电加热圈一(13)、温控仪一(14)；所述的氧气供应系统包括氧气罐(15)、过滤器二(16)、减压阀二(17)、电磁阀四(18)、质量流量计二(19)、单向阀二(20)、电磁阀五(21)、压力传感器二(22)、温湿度传感器二(23)、电磁阀六(24)、加湿罐二(25)、液位计二(26)、电加热圈二(27)、温控仪二(28)；所述的氮气吹扫预热系统包括氮气罐一(29)、减压阀三(30)、电磁阀七(31)、电加热丝一(32)、氮气罐二(33)、减压阀四(34)、电磁阀八(35)、电加热丝二(36)；所述的电堆系统包括质子交换膜燃料电池(37)、电子负载(38)、压力传感器三(39)、温湿度传感器三(40)、散热风扇(41)、背压阀(42)、储水罐一(43)；所述的废水废气回收利用系统包括汽水分离器一(44)、汽水分离器二(45)、离子交换器一(46)、离子交换器二(47)、储水罐二(48)、储水罐三(49)；所述的氢气报警系统包括一台氢气报警器(50)；所述的数据采集与控制系统(51)是一台可以编程的上位PC机。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池测控系统，其特征在于，所述的氢气供应系统中的氢气罐(1)、过滤器一(2)、减压阀一(3)、电磁阀一(4)、质量流量计一(5)、单向阀一(6)依次连接，所述的电磁阀三(10)与加湿罐一(11)串联构成加湿支路一，所述的加湿支路一与电磁阀二(7)并联后与压力传感器一(8)、温湿度传感器一(9)依次连接；所述的加湿支路一，包括加湿罐一(11)、液位计一(12)、电加热圈一(13)、温控仪一(14)，采用鼓泡加湿原理，气体从进气口进入到加湿罐一(11)底部，通过去离子水加热加湿后向上通过气体出口排出，所述的加湿罐一(11)外接液位计一(12)、电加热圈一(13)和温控仪一(14)，通过加热到不同的温度来实现湿度的控制并观察液位变化，所述的加湿罐一(11)设有补水口。

3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池测控系统，其特征在于，所述的氧气供应系统中的氧气罐(15)、过滤器二(16)、减压阀二(17)、电磁阀四(18)、质量流量计二(19)、单向阀二(20)依次连接，所述的电磁阀六(24)与加湿罐二(25)串联构成加湿支路二，所述的加湿支路二与电磁阀五(21)并联后与压力传感器二(22)、温湿度传感器二(23)依次连接；所述的加湿支路二，包括加湿罐二(25)、液位计二(26)、电加热圈二(27)、温控仪二(28)，采用鼓泡加湿原理，气体从进气口进入到加湿罐二(25)底部，通过去离子水加热加湿后向上通过气体出口排出，所述的加湿罐二(25)外接液位计二(26)、电加热圈二(27)和温控仪二(28)，通过加热到不同的温度来实现湿度的控制并观察液位变化，所述加湿罐二(25)设有补水口。

4.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池测控系统，其特征在于，所述的氮气吹扫预热系统中的氮气罐一(29)、减压阀三(30)、电磁阀七(31)、电加热丝一(32)与所述的加湿支路一、电磁阀二(7)连接后依次与压力传感器一(8)、温湿度传感器一(9)连接构成所述氢气供应系统中的氮气吹扫支路；所述的氮气罐二(33)、减压阀四(34)、电磁阀八(35)、电加热丝二(36)与所述的加湿支路二、电磁阀五(21)连接后依次与压力传感器二(22)、温湿度传感器二(23)连接构成氧气供应系统中的氮气吹扫支路；所述的电加热丝一(32)、电加热丝二(36)对氮气进行加热，使得氮气在吹扫的同时可以对电堆进行预加热，达到电堆正常工作所需的温度，实现电堆在低温环境下的启动。

5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池测控系统，其特征在于，所述的电堆系统中的电子负载(38)与质子交换膜燃料电池(37)连接；所述的压力传感器三(39)、温湿度传感器三(40)依次与质子交换膜燃料电池(37)连接；所述的散热风扇(41)与质子交换膜燃料电池(37)密封连接；所述的背压阀(42)、储水罐一(43)依次与质子交换膜燃料电池(37)连接，用于收集反应生成的水。

6.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池测控系统，其特征在于，所述的废水废气回收利用系统中的汽水分离器一(44)一端与电堆氢气出气口连接，一端与氢气罐(1)连接，用于收集未反应完全的氢气并分离出干燥的氢气输送至氢气罐(1)继续参与反应；所述的离子交换器一(46)一端与汽水分离器一(44)连接，一端依次与储水罐二(48)和加湿罐一(11)补水口连接，用于收集汽水分离器一(44)分离出的水并将其处理为去离子水，对加湿罐一(11)进行补给；所述的汽水分离器二(45)一端与电堆氧气出气口连接，一端与氧气罐(15)连接，用于收集未反应完全的氧气并分离出干燥的氧气输送至氧气罐(15)继续参与反应；所述的离子交换器二(47)一端与汽水分离器二(45)连接，一端依次与储水罐三(49)和加湿罐二(25)补水口连接，用于收集汽水分离器二(45)分离出的水并将其处理为去离子水，对加湿罐二(25)进行补给。

7.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池测控系统，其特征在于，所述的氢气报警系统，当氢气泄露达到所设上限值时，所述的氢气报警器(50)发出报警声并向电磁阀一(4)发出电信号切断氢气供应。

8.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池测控系统，其特征在于，所述的数据采集与控制系统(51)中可以编程的上位PC机分别与电磁阀一(4)、质量流量计一(5)、电磁阀二(7)、电磁阀三(10)、电磁阀四(18)、质量流量计二(19)、电磁阀五(21)、电磁阀六(24)、压力传感器一(8)、压力传感器二(22)、压力传感器三(39)、温湿度传感器一(9)、温湿度传感器二(23)、温湿度传感器三(40)、温控仪一(14)、温控仪二(28)、电子负载(38)、散热风扇(41)连接，用于采集数据，监测电堆运行状态并发出控制信号。