CN218507910U - 一种基于pem的车载制氢设备的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统，包括：水箱、水泵、PEM电解槽、汽水分离装置和储氢罐；水箱通过供水管与水泵连接；水泵通过进水管连接PEM电解槽的进水端；PEM电解槽用于将水分解成氧气和氢气；PEM电解槽和水泵均与主控制器相连接；主控制器控制PEM电解槽和水泵的启停；PEM电解槽设有第一出水端和第二出水端；第一出水端将产生的氧气和回水通过回水管返回水箱；第二出水端将产生的氢气和与氢气混合的水汽通过第一出水管进入汽水分离装置；汽水分离装置用于将氢气和与氢气混合的水汽进行汽水分离，分离后的水汽自然冷凝成冷凝水，分离后的氢气通过第二出水管经单向阀进入储氢罐。该系统可实现对车载PEM制氢设备进行实时控制。

Description

一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统

技术领域

本实用新型涉及PEM电解水制氢技术领域，特别涉及一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统。

背景技术

在节能减排的大环境下，柴油发动机尾气排放是大气污染防治中重要的一环。发动机进气加氢形成柴油与氢气的预混合，其燃烧可以有效降低尾气中的有害物质。由于氢气也属于燃料，且燃烧值高于柴油，在降低排放的同时能够节省燃油增加动力，达到节能减排的目的。

基于PEM的水电解制氢，具有制氢效率高、压力大的特点，是比较理想的可用于发动机与柴油预混合的氢气源，可根据发动机电源随使用随制取。由于氢气的易燃易爆性，因此控制其实时产气量和监测其泄露情况是安全用氢的必要环节。其中，PEM指能够将水电解成氢气和氧气的设备，其核心技术是质子导电膜。

目前，尚未存在基于PEM的制氢车载预混燃烧技术且也并未存在对PEM的产气量进行控制及监测的技术，因此如何对车载PEM制氢设备进行实时控制，是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型提供一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统，可克服或者至少部分地解决不能对PEM的产气量进行控制的问题。

本实用新型提供一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统，包括：水箱、水泵、PEM电解槽、汽水分离装置和储氢罐；

所述水箱通过供水管与所述水泵连接；所述水泵通过进水管连接所述PEM电解槽的进水端；

所述PEM电解槽用于将水分解成氧气和氢气；所述PEM电解槽和水泵均与主控制器相连接；所述主控制器控制所述PEM电解槽和水泵的启停；

所述PEM电解槽设有第一出水端和第二出水端；所述第一出水端将产生的氧气和回水通过回水管返回所述水箱；所述第二出水端将产生的氢气和与所述氢气混合的水汽通过第一出水管进入所述汽水分离装置；

所述汽水分离装置用于将所述氢气和与所述氢气混合的水汽进行汽水分离，分离后的水汽自然冷凝成冷凝水，分离后的氢气通过第二出水管经单向阀进入所述储氢罐。

进一步地，所述水箱上方设置有排氧口；

所述氧气和回水通过所述回水管返回至所述水箱后，所述氧气密度小自然上升，通过所述排氧口从所述水箱内排出。

进一步地，所述PEM电解槽的第一出水端和/或第二出水端处设置有温度传感器，用于监测所述PEM电解槽的出水温度；

所述温度传感器与所述主控制器相连接。

进一步地，所述水泵为去离子水泵，用于去除水中离子后产生纯水送入所述PEM电解槽。

进一步地，所述汽水分离装置中汽水分离后产生的冷凝水自动排入至冷凝水储水瓶；

所述冷凝水储水瓶经第三出水管通过第一三通接头与所述供水管相连通，将所述冷凝水返回所述水泵。

进一步地，所述水箱内部设置有第一液位传感器，用于监测所述水箱内的水位；

所述第一液位传感器与所述主控制器相连接。

进一步地，所述冷凝水储水瓶内部设置有第二液位传感器和第三液位传感器，用于监测所述冷凝水储水瓶内的水位；

所述第二液位传感器的安装位置高于所述第三液位传感器的安装位置；

所述第二液位传感器和第三液位传感器均与所述主控制器相连接。

进一步地，所述第三出水管上安装有冷凝水电磁阀门；所述冷凝水电磁阀门与所述主控制器相连接；

当所述第二液位传感器监测到所述冷凝水储水瓶内的水位超过其所处位置时，所述主控制器打开所述冷凝水电磁阀门，通过所述水泵将所述冷凝水排出；

当所述第三液位传感器监测到所述冷凝水储水瓶内的水位低于其所处位置时，所述主控制器关闭所述冷凝水电磁阀门，停止对所述冷凝水的排出。

进一步地，所述第二出水管上安装有第一压力传感器，用于监测所述汽水分离装置的出氢压力；所述储氢罐的出氢管上安装有第二压力传感器，用于监测所述储氢罐的出氢压力；

所述第一压力传感器和第二压力传感器均与所述主控制器相连接。

进一步地，还包括：第四出水管；所述第四出水管通过第二三通接头与所述进水管相连通；

所述第四出水管上安装有排水电磁阀；所述排水电磁阀与所述主控制器相连接；

当需要排水时，通过所述主控制器关闭所述冷凝水电磁阀门，并打开所述排水电磁阀，排出所述进水管内剩余的水。

本实用新型实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本实用新型提供的基于PEM的车载制氢设备的控制系统，包括：水箱、水泵、PEM电解槽、汽水分离装置和储氢罐；水箱通过供水管与水泵连接；水泵通过进水管连接PEM电解槽的进水端；PEM电解槽用于将水分解成氧气和氢气；PEM电解槽和水泵均与主控制器相连接；主控制器控制PEM电解槽和水泵的启停；PEM电解槽设有第一出水端和第二出水端；第一出水端将产生的氧气和回水通过回水管返回水箱；第二出水端将产生的氢气和与氢气混合的水汽通过第一出水管进入汽水分离装置；汽水分离装置用于将氢气和与氢气混合的水汽进行汽水分离，分离后的水汽自然冷凝成冷凝水，分离后的氢气通过第二出水管经单向阀进入储氢罐。该系统可实现对车载PEM制氢设备进行实时控制。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型实施例提供的基于PEM的车载制氢设备的控制系统整体结构示意图；

其中：1-水箱，2-水泵，3-PEM电解槽，4-汽水分离装置，5-储氢罐，6-供水管，7-进水管，8-回水管，9-第一出水管，10-第二出水管，11-单向阀，12-温度传感器，13-冷凝水储水瓶，14-第三出水管，15-第一三通接头，16-第一液位传感器，17-第二液位传感器，18-第三液位传感器，19-冷凝水电磁阀门，20-第一压力传感器，21-第二压力传感器，22-第四出水管，23-第二三通接头，24-排水电磁阀。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本实用新型实施例提供一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统，参照图1所示，包括：水箱1、水泵2、PEM电解槽3、汽水分离装置4和储氢罐5；

水箱1通过供水管6与水泵2连接；水泵2通过进水管7连接PEM电解槽3的进水端；

PEM电解槽3用于将水分解成氧气和氢气；PEM电解槽3和水泵2均与主控制器(图中未示出)相连接；主控制器控制PEM电解槽3和水泵2的启停；

PEM电解槽3设有第一出水端和第二出水端；第一出水端将产生的氧气和回水通过回水管8返回水箱1；第二出水端将产生的氢气和与氢气混合的水汽通过第一出水管9进入汽水分离装置4；

汽水分离装置4用于将氢气和与氢气混合的水汽进行汽水分离，分离后的水汽自然冷凝成冷凝水，分离后的氢气通过第二出水管10经单向阀11(单向阀门1)进入储氢罐5。

本实施例中的PEM指的是PEM电解槽，并非指PEM燃料电池。

通过本实施例提供的基于PEM的车载制氢设备的控制系统，可实现对车载PEM制氢设备进行实时控制，实现在闭环控制下PEM的安全、高效制氢。

具体地，水泵2为去离子水泵。水泵2的电机连接有电机控制单元(设置在设置在主控制器中)，用于对水泵电机进行控制，实现PEM供水循环。去离子水泵从水箱1内抽水，去除水中离子后产生纯水送入PEM电解槽3。水箱1用于向PEM电解槽3供水，内部设置有第一液位传感器16，用于监测水箱1内的水位；第一液位传感器16与主控制器相连接，通过主控制器获取水箱1内的水位信息(是否低于临界点)，在监测到水箱1内水不足时补充水。

参照图1所示，水箱1上方设置有排氧口。PEM电解槽3中产生的氧气和回水(电解完后剩余的水)在第一出水端通过回水管8返回至水箱1后，氧气密度小会自然上升，通过排氧口从水箱1内排出。

PEM电解槽3中第二出水端产生的氢气会混合大量水汽，因此氢气进入储氢罐5之前，需采用汽水分离装置4进行汽水分离。汽水分离装置4中汽水分离后的水汽会自然冷凝成冷凝水，产生的冷凝水自动排入至冷凝水储水瓶13。冷凝水储水瓶13经第三出水管14通过第一三通接头15与供水管6相连通，将冷凝水返回水泵2。

冷凝水储水瓶13内部(外壁上)设置有第二液位传感器17和第三液位传感器18，用于监测冷凝水储水瓶13内的水位。第二液位传感器17(高液位传感器)的安装位置高于第三液位传感器18(低液位传感器)的安装位置。第二液位传感器17和第三液位传感器18均(通过高低液位传感器接口)与主控制器相连接，用于通过主控制器实时监测冷凝水储水瓶13内的水位变化，可采用光耦进行隔离。

第三出水管14上安装有冷凝水电磁阀门19；冷凝水电磁阀门19与主控制器相连接。当第二液位传感器17(高液位传感器)监测到冷凝水储水瓶13内的水位超过其所处位置时，主控制器打开冷凝水电磁阀门19，经第三出水管14通过水泵2将冷凝水排出；当第三液位传感器18(低液位传感器)监测到冷凝水储水瓶13内的水位低于其所处位置时，主控制器关闭冷凝水电磁阀门19，停止对冷凝水的排出。冷凝水储水瓶13需要监测上下两个值，即上、下液位的上临界值和下临界值，当水位高于上临界值时开始排水，排到下临界值截至，即不能够排空该储水瓶，也不能让里面的水过多。

储氢罐5的进氢口和出氢口均配有压力传感器。第二出水管10(汽水分离装置4的输出端)上安装有第一压力传感器20，用于监测汽水分离装置4的出氢压力，即PEM电堆的产气压力；储氢罐5的出氢管上安装有第二压力传感器21，用于监测储氢罐5的出氢压力。第一压力传感器20和第二压力传感器21均与主控制器相连接，主控制器用于实时根据监测得到的出氢压力，判断出氢压力是否满足出氢要求，控制水泵2及PEM电解槽3的启停，使其达到最佳出氢状态。

第一压力传感器20和第二压力传感器21连接有压力传感器接口单元(设置在设置在主控制器中)，用于测试供气压力是否满足供气要求，同时与PEM输出功率(通过监测PEM电解槽3流过的电流和电压计算获得)协同监测供气回路是否正常。

可选地，储氢罐5的出氢管上还可以设置有单向阀门2，入氢管(第二出水管10)上的单向阀门1和出氢管上的单向阀门2使氢气只能单向流动，确保与其相连接的后方车载燃烧装置能够正常高效工作。

水泵2输出端设有第四出水管22，第四出水管22通过第二三通接头23与进水管7相连通。

第四出水管22上安装有排水电磁阀24。排水电磁阀24与主控制器相连接，当需要维修设备和/或需要排水时，通过主控制器关闭维修手阀1(设置在第一出水管9)、维修手阀2(设置在进水管7)和冷凝水电磁阀门19，打开排水电磁阀24，排出进水管7内剩余的水。

冷凝水电磁阀门19和排水电磁阀24均连接有电磁阀控制单元(设置在设置在主控制器中)，用于控制水箱1排水和冷凝水储水瓶13排水。

进一步地，PEM电解槽3连接有PEM电源，能够自动适应12V、24V车载电源及其波动。PEM电源输入接口采用PPTC自恢复保险丝、二极管和SM8S26A TVS进行接口保护，采用ITTPS5430 DCDC芯片进行电压变换，满足内部CPU、运放、LCD等芯片的供电需要。PEM电源连接有输入电压保护单元(设置在设置在主控制器中)，其能够抑制浪涌输入、静电输入，抵抗静电和浪涌干扰，抑制PEM电源开关时对车载电源造成的瞬间冲击，保护内部电路。PEM电解槽3其供电功率的设置是通过主控制器(CPU)控制DC/DC电源板完成。PEM电解槽3输入电源的正极串接有电流传感器，电流传感器连接有电流传感器接口单元(设置在设置在主控制器中)，用于检测PEM电解槽3的功率消耗，进而可以估算产气量。

PEM电解槽3的第一出水端和/或第二出水端处(汽水分离装置4的输出端)设置有温度传感器12，用于监测PEM电解槽3的出水温度。温度传感器12与主控制器相连接；温度传感器12连接有温度传感器接口单元(设置在设置在主控制器中)，用于监测PEM电解槽3的出水温度，配合控制安装在机箱(整个基于PEM的车载制氢设备的控制系统安装于钣金箱体内，机箱指该钣金机箱)后侧壁的排风扇工作，进行散热，避免超温，保证系统温度处于产气效率较高的状态。

具体地，主控制器(CPU，采用ATmega2560-16AU QFP100封装，工业级芯片，DC 5V供电电压)采用8位嵌入式微处理器，可实时采集各类传感器信号，并根据采集到的数据及预设条件控制电磁阀、风扇、功率开关设备等装置，形成一套闭环控制回路。进一步地，CPU根据实时监测的传感器信号，控制驱动电路进而控制设备自动断开、PEM电源停机，并通过蜂鸣器报警，通过LED灯(负极连接到IO口，受程序控制，可用于系统运行状态指示)闪光报警，以保证安全、高效的产气；同时CPU(通过通讯单元)还负责与上位机通讯，记录测试数据、更新CPU程序；CPU还负责LCD屏幕数据显示，及按键控制，进而实现报警和人机交互。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统，其特征在于，包括：水箱(1)、水泵(2)、PEM电解槽(3)、汽水分离装置(4)和储氢罐(5)；

所述水箱(1)通过供水管(6)与所述水泵(2)连接；所述水泵(2)通过进水管(7)连接所述PEM电解槽(3)的进水端；

所述PEM电解槽(3)用于将水分解成氧气和氢气；所述PEM电解槽(3)和水泵(2)均与主控制器相连接；所述主控制器控制所述PEM电解槽(3)和水泵(2)的启停；

所述PEM电解槽(3)设有第一出水端和第二出水端；所述第一出水端将产生的氧气和回水通过回水管(8)返回所述水箱(1)；所述第二出水端将产生的氢气和与所述氢气混合的水汽通过第一出水管(9)进入所述汽水分离装置(4)；

所述汽水分离装置(4)用于将所述氢气和与所述氢气混合的水汽进行汽水分离，分离后的水汽自然冷凝成冷凝水，分离后的氢气通过第二出水管(10)经单向阀(11)进入所述储氢罐(5)。

2.如权利要求1所述的一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统，其特征在于，所述水箱(1)上方设置有排氧口；

所述氧气和回水通过所述回水管(8)返回至所述水箱(1)后，所述氧气密度小自然上升，通过所述排氧口从所述水箱(1)内排出。

3.如权利要求1所述的一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统，其特征在于，所述PEM电解槽(3)的第一出水端和/或第二出水端处设置有温度传感器(12)，用于监测所述PEM电解槽(3)的出水温度；

所述温度传感器(12)与所述主控制器相连接。

4.如权利要求1所述的一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统，其特征在于，所述水泵(2)为去离子水泵，用于去除水中离子后产生纯水送入所述PEM电解槽(3)。

5.如权利要求1所述的一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统，其特征在于，所述汽水分离装置(4)中汽水分离后产生的冷凝水自动排入至冷凝水储水瓶(13)；

所述冷凝水储水瓶(13)经第三出水管(14)通过第一三通接头(15)与所述供水管(6)相连通，将所述冷凝水返回所述水泵(2)。

6.如权利要求1所述的一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统，其特征在于，所述水箱(1)内部设置有第一液位传感器(16)，用于监测所述水箱(1)内的水位；

所述第一液位传感器(16)与所述主控制器相连接。

7.如权利要求5所述的一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统，其特征在于，所述冷凝水储水瓶(13)内部设置有第二液位传感器(17)和第三液位传感器(18)，用于监测所述冷凝水储水瓶(13)内的水位；

所述第二液位传感器(17)的安装位置高于所述第三液位传感器(18)的安装位置；

所述第二液位传感器(17)和第三液位传感器(18)均与所述主控制器相连接。

8.如权利要求7所述的一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统，其特征在于，所述第三出水管(14)上安装有冷凝水电磁阀门(19)；所述冷凝水电磁阀门(19)与所述主控制器相连接；

当所述第二液位传感器(17)监测到所述冷凝水储水瓶(13)内的水位超过其所处位置时，所述主控制器打开所述冷凝水电磁阀门(19)，通过所述水泵(2)将所述冷凝水排出；

当所述第三液位传感器(18)监测到所述冷凝水储水瓶(13)内的水位低于其所处位置时，所述主控制器关闭所述冷凝水电磁阀门(19)，停止对所述冷凝水的排出。

9.如权利要求1所述的一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统，其特征在于，所述第二出水管(10)上安装有第一压力传感器(20)，用于监测所述汽水分离装置(4)的出氢压力；所述储氢罐(5)的出氢管上安装有第二压力传感器(21)，用于监测所述储氢罐(5)的出氢压力；

所述第一压力传感器(20)和第二压力传感器(21)均与所述主控制器相连接。

10.如权利要求8所述的一种基于PEM的车载制氢设备的控制系统，其特征在于，还包括：第四出水管(22)；所述第四出水管(22)通过第二三通接头(23)与所述进水管(7)相连通；

所述第四出水管(22)上安装有排水电磁阀(24)；所述排水电磁阀(24)与所述主控制器相连接；

当需要排水时，通过所述主控制器关闭所述冷凝水电磁阀门(19)，并打开所述排水电磁阀(24)，排出所述进水管(7)内剩余的水。

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