CN2890905Y - 一种带有can接口的燃料电池发电系统氢气报警装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带有CAN接口的燃料电池发电系统氢气报警装置，该装置包括燃料电池发电系统、氢气检测报警器、控制器、氢气电磁阀、氢敏元件，所述的氢气检测报警器带有CAN通信接口。与现有技术相比，本实用新型能检测氢气泄漏并发出报警，当氢气泄漏达到一定的浓度时，该装置可以及时自动切断氢气源，确保安全。

Description

一种带有CAN接口的燃料电池发电系统氢气报警装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池，尤其涉及燃料一种带有CAN接口的燃料电池发电系统氢气报警装置。

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系统。

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。

燃料电池发电系统是采用氢气为原料进行发电的新型能源，具有无污染、转换效能高、低噪音、低温运行等特点.有着广泛的应用前景。但是燃料电池的原料-氢气是一种易燃、易爆的气体，为了使燃料电池发电系统能长期安全可靠的运行，必须对燃料电池发电系统进行氢气泄漏的检测，当检测到氢气泄漏时及时报警并切断氢气源。

对氢气的检测一般采用氢敏元件，氢敏元件测量气体成分含量的原理是：当被测氢气通过氢敏元件的表面时，会发生化学反应，使其内部的金属氧化物的阻值发生了变化，而其阻值的大小和通过它表面的氢气浓度基本成线性关系。因此，只要将电阻的变化转换成电压变化，测量出电压信号就可计算出对应的氢气浓度了。

参阅图1。图1为氢敏元件接线示意图。图1中，1是氢敏元件，2是负载电阻R。VC是工作电压，VH是加热电压，VO是输出电压。

现在常用的氢气报警器电路有两种，一种采用模拟电路，它将输出电压VO连接到直流电桥电路中，当氢敏元件检测到氢气后输出电压VO便会增加，模拟电路将VO的变化用电压表指示出来，并发出声光报警。模拟电路的优点是不需要运行程序，抗干扰能力强，缺点是电路复杂，精度低。另一种报警器电路是采用带微处理器的电路，它的原理是将VO的变化通过A/D转换成数字信号供CPU处理。CPU通过运行软件算法对其进行线性化处理和进行温度补偿。通过I/O口控制声光报警器的开或关。采用微处理器电路的特点是：电路简单，精度高。

但是，以上两种电路都只能对氢气的泄漏进行检测和报警，而报警后关闭氢气源的工作仍要操作人员人工操作，这样会延误事故的处理时间，造成安全事故。

发明内容

本实用新型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带有CAN接口的燃料电池发电系统氢气报警装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种带有CAN接口的燃料电池发电系统氢气报警装置，包括燃料电池发电系统、氢气检测报警器、控制器、氢气电磁阀和氢敏元件，其特征在于，所述的氢气检测报警器带有CAN通信接口；所述的氢敏元件与氢气检测报警器电气连接，将检测到的反映氢气浓度的电信号送至氢气检测报警器，氢气检测报警器与控制器通过双路CAN总线连接，将报警信息发送至控制器，控制器与氢气电磁阀电气连接，控制氢气电磁阀的开或关，氢气电磁阀与燃料电池发电系统连接，控制对燃料电池发电系统的氢气供应。

所述的氢气检测报警器包括CPU、光电隔离器、固态继电器、双路CAN收发器、声光报警器和电源；所述的电源与CPU连接，提供CPU工作电压，光电隔离器为两路，光电隔离器一端与CPU连接，一端与CAN收发器连接，作为CPU与CAN收发器之间的隔离装置，CAN收发器采用两路，与控制器连接通信，固态继电器一端与CPU连接，受CPU控制，一端连接声光报警器，控制声光报警器工作。

所述的氢敏元件设置三个，分别设置在燃料电池发电系统氢气进口处、电堆处和易产生氢气泄漏处。

所述的CPU内带双CAN总线控制器、程序存储器和数据存储器。

所述的声光报警器具有定时报警和持续报警两种报警方式。

本实用新型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，本实用新型设计的一种带有CAN通信接口的燃料电池氢气报警装置，除了具有检测氢气泄漏并报警的功能外，当氢气泄漏达到一定的浓度时，该装置可以通过关闭氢气管路电磁阀及时自动切断氢气源，确保安全。

附图说明

图1为氢敏元件接线示意图；

图2为本实用新型燃料电池发电系统氢气报警装置工作原理图；

图3为本实用新型燃料电池发电系统氢气报警装置组成电方框图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步说明。

参阅图2，3。图2是本实用新型燃料电池发电系统氢气报警装置工作原理图。图中包括燃料电池发电系统201、三个氢敏元件202、氢气电磁阀203、控制器204、CAN总线205，205’、氢气检测报警器206。

图3为本实用新型燃料电池发电系统氢气报警装置组成电方框图；图中包括CAN收发器301，302′、光电隔离器302、电源303、CPU 304、三个氢敏元件202、固态继电器306、声光报警器307。

实施例1

本实施例结合具体的元器件型号对本实用新型实施方法作进一步的叙述。

结合图1，图2。CPU 304采用PHILIPS的LPC2119的32位ARM，内带128K程序存储器，16K数据存储器，内带的双CAN总线控制器可方便的进行CAN通讯；三个氢敏元件202采用宁波思凯公司的氢敏元件QM-Q1，氢气浓度测量范围为10ppm～5000ppm，它将氢气浓度信号转换成0～3V的电压信号，单片机通过A/D转换口对模拟量进行转换，得到对应的氢气浓度值。当氢气的浓度大于设定值时就发出声光报警，同时将报警信息通过CAN总线205，205′发给控制器204，控制器204会根据需要由I/O口发出开关量信号关闭氢气管路电磁阀203。

实施例2

本实施例是氢气报警器在10KW燃料电池发电站或发动机上应用的实例。

结合图1，图3。三个氢敏元件202分别安装在燃料电池发电站或发动机201的氢气进口处、电堆等容易产生氢气泄漏的地方。氢气报警器206通过双CAN冗余通信总线205，205′和控制器204相连。当三个氢敏元件202中的任一个检测到氢气浓度大于3000ppm时，氢气报警器206便发出声光报警，持续时间为15秒。在这15秒内如氢气浓度仍然大于3000ppm，则继续声光报警，如小于3000ppm了则关闭声光报警。当三个氢敏元件202中的任1个检测到氢气浓度大于5000ppm时，氢气报警器206发出声光报警，并把报警信息通过双CAN通信总线205，205′发送到控制器204。控制器204立即通过I/O口关闭氢气管路电磁阀203，这样就能保证燃料电池发电站或发动机201安全可靠的运行。

Claims (5)

1.一种带有CAN接口的燃料电池发电系统氢气报警装置，包括燃料电池发电系统、氢气检测报警器、控制器、氢气电磁阀和氢敏元件，其特征在于，所述的氢气检测报警器带有CAN通信接口；所述的氢敏元件与氢气检测报警器电气连接，将检测到的反映氢气浓度的电信号送至氢气检测报警器，氢气检测报警器与控制器通过双路CAN总线连接，将报警信息发送至控制器，控制器与氢气电磁阀电气连接，控制氢气电磁阀的开或关，氢气电磁阀与燃料电池发电系统连接，控制对燃料电池发电系统的氢气供应。

2.根据权利要求1所述的一种带有CAN接口的燃料电池发电系统氢气报警装置，其特征在于，所述的氢气检测报警器包括CPU、光电隔离器、固态继电器、双路CAN收发器、声光报警器和电源；所述的电源与CPU连接，提供CPU工作电压，光电隔离器为两路，光电隔离器一端与CPU连接，一端与CAN收发器连接，作为CPU与CAN收发器之间的隔离装置，CAN收发器采用两路，与控制器连接通信，固态继电器一端与CPU连接，受CPU控制，一端连接声光报警器，控制声光报警器工作。

3.根据权利要求1所述的一种带有CAN接口的燃料电池发电系统氢气报警装置，其特征在于，所述的氢敏元件设置三个，分别设置在燃料电池发电系统氢气进口处、电堆处和易产生氢气泄漏处。

4.根据权利要求1所述的一种带有CAN接口的燃料电池发电系统氢气报警装置，其特征在于，所述的CPU内带双CAN总线控制器、程序存储器和数据存储器。

5.根据权利要求1所述的一种带有CAN接口的燃料电池发电系统氢气报警装置，其特征在于，所述的声光报警器具有定时报警和持续报警两种报警方式。

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