CN215771228U - 一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置，包括进气压力传感器、出气压力传感器、中央处理器、显示器和蜂鸣器，所述进气压力传感器安装在燃料电池电堆阳极的氢气进气口处，所述出气压力传感器安装在燃料电池电堆阳极的氢气出气口处，所述进气压力传感器和出气压力传感器与中央处理器信号连接，所述中央处理器上还连接有显示器和蜂鸣器。本实用新型能够采集燃料电池阳极压力降数据，对水故障的在线警示，实时、快速且有效的向操作人员提示燃料电池发生了水故障。

Description

一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种能直接转化氢能源为电力的新型发电装置。比起普通的内燃机式氢气发电机，质子交换膜电池直接利用催化剂从氢中产生电子并形成电流，省去了燃烧过程，故而利用效率更高，且没有任何污染或噪音。水管理是燃料电池最重要的研究课题之一，而由于水管理具有极高的多元非线性，因此也是较困难的研究问题。

燃料电池的水管理主要涉及水量平衡问题，水传输问题，水分布问题等，还涉及到水故障所带来的影响及危害。当燃料电池短期处于水故障情形下，会对性能输出造成直接的影响；当燃料电池发生严重的水故障或长期运行在故障状态下，则将对燃料电池造成损害，而且这些损害一般是难以得到恢复的。当燃料电池阳极发生水淹时，将阻碍氢气的流动和扩散，就会导致局部氢气缺气，而在这些区域就会发生其它副电化学反应，造成阴极侧催化层内的碳被腐蚀，腐蚀出现的颗粒或杂质若传输到交换膜的内部，可能会导致电池失效。很多学者对于燃料电池水故障诊断方法进行了研究，大体上可分为基于模型的方法、基于参数测量的方法和基于知识的方法。但是目前并没有对燃料电池水故障进行在线警示的装置，无法实时、快速且有效的向操作人员提示燃料电池发生了水故障。

实用新型内容

为了克服现有技术方法的不足，本实用新型的目的在于提出一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置，能够采集燃料电池阳极压力降数据，对水故障的在线警示，实时、快速且有效的向操作人员提示燃料电池发生了水故障。

为实现以上目的，本实用新型采用技术方案是：一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置，包括进气压力传感器、出气压力传感器、中央处理器、显示器和蜂鸣器，所述进气压力传感器安装在燃料电池电堆阳极的氢气进气口处，所述出气压力传感器安装在燃料电池电堆阳极的氢气出气口处，所述进气压力传感器和出气压力传感器与中央处理器信号连接，所述中央处理器上还连接有显示器和蜂鸣器。

进一步的是，包括电路基板，在所述电路基板上设置中央处理器、显示器和蜂鸣器，所述显示器和蜂鸣器通过线路连接至中央处理器；在所述电路基板上还设置有进气压力传感器和出气压力传感器的通信线插接口，所述进气压力传感器和出气压力传感器的通信线插接口通过线路连接至中央处理器。通过插口形式传感器采用插口模式，使得使用者可以根据不同的电池型号适配不同的传感器。具备较高集成性，且由于本设备采用可拆卸装置，是装置便于携带，便于根据不同燃料电池型号更改传感器类型。便于适配于不同燃料电池。此外，相较于传统燃料电池试验台，本专利具备轻便性，便于用作不同环境之下。

进一步的是，还包括温度传感器，所述温度传感器连接至中央处理器。实时检测并通过显示器显示质子交换膜燃料电池的温度，可为检测人员提供燃料电池温度在水故障时的实时情况，便于检测人员综合判断。

进一步的是，在所述电路基板上还设置有温度传感器的通信线插接口，所述温度传感器设置在燃料电池电堆处，所述温度传感器的通信线插接口过线路连接至中央处理器。通过插口形式传感器采用插口模式，使得使用者可以根据不同的电池型号适配不同的传感器。

进一步的是，还包括电压传感器，所述电压传感器设置在燃料电池负载连接处且电压传感器连接至中央处理器。实时检测并通过显示器显示质子交换膜燃料电池的负载运行情况，可为检测人员提供燃料电池负载在水故障时的实时情况，便于检测人员综合判断。

进一步的是，在所述电路基板上还设置有电压传感器的通信线插接口，所述电压传感器的通信线插接口过线路连接至中央处理器。通过插口形式传感器采用插口模式，使得使用者可以根据不同的电池型号适配不同的传感器。

进一步的是，还包括PWM发生器，所述PWM发生器输入端与中央处理器信号连接，所述PWM发生器输出端与燃料电池电堆的风冷风扇连接，PWM发生器输出可以连接至电堆的风冷风扇，通过控制风扇的转速调整电池内部水平衡，发生水淹现象时加大风扇转速进行风干，发生干膜现象时关闭风扇。

进一步的是，还包括风扇操控按键，所述风扇操控按键连接至中央处理器。可供操作人员手动调节，通过风扇操控按键发射调节信号有中央处理器发送信号至PWM发生器从而调节风扇的转速，及时调节水故障。

采用本技术方案的有益效果：

本实用新型利用气体压力传感器对燃料电池阳极压力降进行了监测，将数据传输到中央处理器(Arduino单片机)后，通过差值实时计算得出阳极压力降的数值大小；能够采集燃料电池阳极压力降数据，装置仅通过通过阳极压力降在运行在燃料电池规定的阈值内，阈值判断是本领域的常规手段，可以快速、简便地判断出电池当前的运行状态，超过阈值则可认定发生了水故障，在水故障发生时向操作人员发出预警。装置给出此时燃料电池的水故障判定并通过显示屏显示，并输出警示信号，实时、快速且有效的向操作人员提示燃料电池发生了水故障。

附图说明

图1为本实用新型的一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置的原理示意图；

图2为本实用新型的一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置的第一种优化方式的原理示意图；

图3为本实用新型的一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置的第二种优化方式的原理示意图；

图4为本实用新型的一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置的第三种优化方式的原理示意图。

具体实施方式

为了使实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1所示，一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置，包括进气压力传感器、出气压力传感器、中央处理器、显示器和蜂鸣器，所述进气压力传感器安装在燃料电池电堆阳极的氢气进气口处，所述出气压力传感器安装在燃料电池电堆阳极的氢气出气口处，所述进气压力传感器和出气压力传感器与中央处理器信号连接，所述中央处理器上还连接有显示器和蜂鸣器。

对上述实施例进行优化设计，将各个部件集成在一个电路板上，包括电路基板，在所述电路基板上设置中央处理器、显示器和蜂鸣器，所述显示器和蜂鸣器通过线路连接至中央处理器；在所述电路基板上还设置有进气压力传感器和出气压力传感器的通信线插接口，所述进气压力传感器和出气压力传感器的通信线插接口通过线路连接至中央处理器。通过插口形式传感器采用插口模式，使得使用者可以根据不同的电池型号适配不同的传感器。具备较高集成性，且由于本设备采用可拆卸装置，是装置便于携带，便于根据不同燃料电池型号更改传感器类型。便于适配于不同燃料电池。此外，相较于传统燃料电池试验台，本专利具备轻便性，便于用作不同环境之下。

作为上述实施例的优化方案1，如图2所示，还包括温度传感器，所述温度传感器连接至中央处理器。实时检测并通过显示器显示质子交换膜燃料电池的温度，可为检测人员提供燃料电池温度在水故障时的实时情况，便于检测人员综合判断。

优化的，在所述电路基板上还设置有温度传感器的通信线插接口，所述温度传感器设置在燃料电池电堆处，所述温度传感器的通信线插接口过线路连接至中央处理器。通过插口形式传感器采用插口模式，使得使用者可以根据不同的电池型号适配不同的传感器。

作为上述实施例的优化方案2，如图3所示，还包括电压传感器，所述电压传感器设置在燃料电池负载连接处且电压传感器连接至中央处理器。实时检测并通过显示器显示质子交换膜燃料电池的负载运行情况，可为检测人员提供燃料电池负载在水故障时的实时情况，便于检测人员综合判断。

优化的，在所述电路基板上还设置有电压传感器的通信线插接口，所述电压传感器的通信线插接口过线路连接至中央处理器。通过插口形式传感器采用插口模式，使得使用者可以根据不同的电池型号适配不同的传感器。

作为上述实施例的优化方案3，如图4所示，还包括PWM发生器，所述PWM发生器输入端与中央处理器信号连接，所述PWM发生器输出端与燃料电池电堆的风冷风扇连接，PWM发生器输出可以连接至电堆的风冷风扇，通过控制风扇的转速调整电池内部水平衡，发生水淹现象时加大风扇转速进行风干，发生干膜现象时关闭风扇。

优化的，还包括风扇操控按键，所述风扇操控按键连接至中央处理器。可供操作人员手动调节，通过风扇操控按键发射调节信号有中央处理器发送信号至PWM发生器从而调节风扇的转速，及时调节水故障。

为了更好的理解本实用新型，下面对本实用新型的工作原理作一次完整的描述：

质子交换膜燃料电池需要从阳极通入氢气，氢气通过催化剂分解出电子与氢离子。其中电子流通于电路用于供电，而氢离子通过质子交换膜，与负极氧气反应生成水。多余的氢气通过阳极排气口排出。由此，燃料电池内部生成的水愈多，阳极压力降便会有上升的趋势。当燃料电池发生不可逆的完全水淹之前，内部水含量便会在一段时间内保持较高值，引起压力降的上升。因此，本装置可以通过观测压力降判断燃料电池内部水状况。

本装置利用气体压力传感器对燃料电池阳极压力降进行了监测，将数据传输到中央处理器(Arduino单片机)后，通过实时计算得出阳极压力降的数值大小。本装置通过燃料电池阳极气体压力降完成对电池水故障的判断与警示。阳极气体压力降指的是阳极气体进出口之间的压力差值，该指标具有易测量、易计算的特点，并可以直接反应电池内部的水含量。装置通过阳极压力降在运行在燃料电池规定的阈值内，阈值判断是本领域的常规手段，可以快速、简便地判断出电池当前的运行状态，超过阈值则可认定发生了水故障，在水故障发生时向操作人员发出预警。装置会给出此时燃料电池的水故障判定并通过显示屏显示，并输出警示信号，供操作人员参考。

对整个装置进行试验验证：

在小型空冷质子交换膜燃料电池运行时，本装置可以完成对电池水状况的粗略监测。以一台50W 12V/4.2A燃料电池为例，操作人员可以通过上位机设定电池正常的阳极氢气压力降为0.02Mpa,正常的电压输出为12V，正常的运行温度为50摄氏度。再调整相关判断变量，例如压力降预警为超过正常值±20％，报警为超过正常值±30％，温度上限60摄氏度，电压告警±10％。设置完成后，在运行过程中，如果电池内部发生水分堆积，将会导致氢气出气口压力降的上升，当压力降超过预警值(0.024Mpa),装置屏幕将会显示“水淹预警”，当压力降超过危险值(0.026Mpa)时，装置屏幕将会显示“严重水淹”并使蜂鸣器长鸣。操作人员听见警报后即可及时介入，中断电池运行，避免发生严重水淹故障。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置，其特征在于，包括进气压力传感器、出气压力传感器、中央处理器、显示器和蜂鸣器，所述进气压力传感器安装在燃料电池电堆阳极的氢气进气口处，所述出气压力传感器安装在燃料电池电堆阳极的氢气出气口处，所述进气压力传感器和出气压力传感器与中央处理器信号连接，所述中央处理器上还连接有显示器和蜂鸣器。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置，其特征在于，包括电路基板，在所述电路基板上设置中央处理器、显示器和蜂鸣器，所述显示器和蜂鸣器通过线路连接至中央处理器；在所述电路基板上还设置有进气压力传感器和出气压力传感器的通信线插接口，所述进气压力传感器和出气压力传感器的通信线插接口通过线路连接至中央处理器。

3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器连接至中央处理器。

4.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置，其特征在于，在所述电路基板上还设置有温度传感器的通信线插接口，所述温度传感器设置在燃料电池电堆处，所述温度传感器的通信线插接口过线路连接至中央处理器。

5.根据权利要求2或3所述的一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置，其特征在于，还包括电压传感器，所述电压传感器设置在燃料电池负载连接处且电压传感器连接至中央处理器。

6.根据权利要求5所述的一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置，其特征在于，在所述电路基板上还设置有电压传感器的通信线插接口，所述电压传感器的通信线插接口过线路连接至中央处理器。

7.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置，其特征在于，还包括PWM发生器，所述PWM发生器输入端与中央处理器信号连接，所述PWM发生器输出端与燃料电池电堆的风冷风扇连接。

8.根据权利要求7所述的一种质子交换膜燃料电池水故障警示装置，其特征在于，还包括风扇操控按键，所述风扇操控按键连接至中央处理器。

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