專利名稱：一種便攜式pemfc燃料電池電源系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及一種PEMFC燃料電池電源系統(tǒng)。
背景技術：
燃料電池是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的發(fā)電裝置，是將存儲的燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的裝置，具有能量轉換效率高，噪音低、污染小、不受卡諾循環(huán)限制的特點。在各種燃料電池中，質子交換膜燃料電池(PEMFC)以氫氣為燃料，以氧氣或空氣作為氧化劑，產物僅僅是水，不污染環(huán)境，噪聲小，功率密度高，啟動時間短，具有廣闊的發(fā)展前景。 但是現(xiàn)有的質子交換膜燃料電池具有輸出電壓不穩(wěn)定、工作不穩(wěn)定的缺點。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng)，具有輸出電壓穩(wěn)定、工作穩(wěn)定的特點。為解決上述技術問題，本發(fā)明所采取的技術方案是一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng)，其特征在于所述電源系統(tǒng)包括儲氫罐、進氣閥、PEMFC燃料電池堆、氫氣循環(huán)泵、 汽水分離器、排氣閥、功率調節(jié)器和電源系統(tǒng)控制器，所述PEMFC燃料電池堆包括由多個燃料單電池串聯(lián)組成的PEMFC燃料電池反應堆、散熱風機、能夠采集PEMFC燃料電池反應堆電流、電壓和溫度的信號采集電路和工作風機，所述儲氫罐通過管路經進氣閥接所述PEMFC 燃料電池反應堆的氫氣進氣口，所述PEMFC燃料電池反應堆的出氣口通過管路經氫氣循環(huán)泵與所述汽水分離器連接，所述汽水分離器的氫氣出氣口通過管路與所述PEMFC燃料電池反應堆的氫氣進氣口連接，所述汽水分離器的排氣口通過管路與所述排氣閥連接；所述散熱風機與所述PEMFC燃料電池反應堆的散熱風進氣口連接，所述工作風機與所述PEMFC燃料電池反應堆的氧化劑進氣口連接；所述信號采集電路的輸出端一路與所述電源系統(tǒng)控制器的輸入端連接，所述信號采集電路的輸出端另一路與所述功率調節(jié)器的輸入端連接；所述電源系統(tǒng)控制器的輸出端與所述進氣閥、散熱風機、工作風機、氫氣循環(huán)泵和排氣閥的控制端連接，所述電源系統(tǒng)控制器與所述功率調節(jié)器雙向連接。所述電源系統(tǒng)還包括減壓閥，所述減壓閥固定連接在所述儲氫罐和所述進氣閥之間的管路上。所述電源系統(tǒng)還包括蓄電池，所述蓄電池與所述功率調節(jié)器雙向連接。所述電源系統(tǒng)控制器包括單片機最小系統(tǒng)，能夠控制指示燈、蜂鳴器、進氣閥、排氣閥、系統(tǒng)上電、負載開關的輸出控制電路，能夠接收開機按鈕信號和關機按鈕信號的輸入控制電路，能夠控制散熱風機、工作風機、氫氣循環(huán)泵和DC/DC變換的D/A變換電路，能夠接收燃料電池電流、燃料電池電壓、燃料電池溫度、蓄電池電流、直流母線電壓、環(huán)境溫度和燃料電池單片電壓的A/D變換電路，EEPROM，RS232接口電路和JTAG接口電路；所述單片機最小系統(tǒng)包括電源電路、時鐘電路和MCU，所述輸出控制電路和所述D/A變換電路與所述MCU 的輸出端連接，所述輸入控制電路和所述A/D變換電路的輸入端連接，所述EEPROM、RS232
3接口電路和JTAG接口電路與所述MUC雙向連接。所述MCU 的型號為ATMAGE16。所述信號采集電路包括電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器。所述功率調節(jié)器的型號為CKN150_12S24。所述進氣閥和排氣閥為電磁閥。本發(fā)明的有益效果如下(1)所述電源系統(tǒng)中的電源系統(tǒng)控制器和功率調節(jié)器組成電源控制系統(tǒng)。所述電源控制系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測所述電源系統(tǒng)的輸出電壓、輸出電流和蓄電池的電壓、電流，能夠將輸出電壓一直控制在一個穩(wěn)定水平，并且在系統(tǒng)出現(xiàn)輸入欠壓、輸出過壓、輸出短路等故障時，報警并斷路保護，提高了所述電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性； (2)所述電源控制系統(tǒng)能夠按照設定好的控制策略控制驅動所述進氣閥和排氣閥，使所述電源系統(tǒng)的燃料供給和尾氣排放可靠穩(wěn)定；(3)所述電源控制系統(tǒng)通過監(jiān)測所述電源系統(tǒng)的溫度，控制所述燃料電池堆的散熱風機，使燃料電池堆的溫度一直維持在一個較低的水平；(4)所述電源控制系統(tǒng)能夠按照設定好的控制策略控制氫氣循環(huán)泵和工作風機，在可靠提供所述電源系統(tǒng)所需的氧化劑的同時，間接實現(xiàn)了對所述電源系統(tǒng)濕度的控制；(5) 所述電源控制系統(tǒng)能夠實時檢測氫氣罐內氣體壓力的變化，在壓力不足時提醒更換氫氣罐，使所述電源系統(tǒng)能夠穩(wěn)定持續(xù)的提供電能。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。圖1是本發(fā)明的結構框圖2是本發(fā)明中電源系統(tǒng)控制器的結構框其中1、減壓閥2、進氣閥3、信號采集電路4、氫氣循環(huán)泵5、汽水分離器6、排氣閥 7、散熱風機8、工作風機、9、輸出控制電路10、輸入控制電路11、D/A變換電路12、A/D 變換電路。
具體實施例方式如圖1-2所示，一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng)，所述電源系統(tǒng)包括儲氫罐、 減壓閥1、進氣閥2、PEMFC燃料電池堆、氫氣循環(huán)泵4、汽水分離器5、排氣閥6、蓄電池、功率調節(jié)器和電源系統(tǒng)控制器，所述功率調節(jié)器的型號為CKN150-12S24 ；所述進氣閥2和排氣閥6為電磁閥。所述PEMFC燃料電池堆包括由多個燃料單電池串聯(lián)組成的PEMFC燃料電池反應堆、散熱風機7、能夠采集PEMFC燃料電池反應堆電流、電壓和溫度的信號采集電路3和工作風機8。所述儲氫罐通過管路依次經減壓閥1、進氣閥2接所述PEMFC燃料電池反應堆的氫氣進氣口。所述PEMFC燃料電池反應堆的出氣口通過管路經氫氣循環(huán)泵4與所述汽水分離器5連接。所述汽水分離器5的氫氣出氣口通過管路與所述PEMFC燃料電池反應堆的氫氣進氣口連接，所述汽水分離器5的排氣口通過管路與所述排氣閥6連接。所述散熱風機7與所述PEMFC燃料電池反應堆的散熱風進氣口連接，所述工作風機8與所述PEMFC燃料電池反應堆的氧化劑進氣口連接。所述信號采集電路3的輸出端一路與所述電源系統(tǒng)控制器的輸入端連接，所述信號采集電路3的輸出端另一路與所述功率調節(jié)器的輸入端連接。所述電源系統(tǒng)控制器的輸出端與所述進氣閥2、散熱風機7、工作風機8、氫氣循環(huán)泵4和排氣閥 6的控制端連接，所述電源系統(tǒng)控制器與所述功率調節(jié)器雙向連接，所述蓄電池與所述功率調節(jié)器雙向連接。所述電源系統(tǒng)控制器包括單片機最小系統(tǒng)，能夠控制指示燈、蜂鳴器、進氣閥2、排氣閥6、系統(tǒng)上電、負載開關的輸出控制電路9，能夠接收開機按鈕信號和關機按鈕信號的輸入控制電路10，能夠控制散熱風機7、工作風機8、氫氣循環(huán)泵4和DC/DC變換的D/A變換電路11，能夠接收燃料電池電流、燃料電池電壓、燃料電池溫度、蓄電池電流、直流母線電壓、環(huán)境溫度和燃料電池單片電壓的A/D變換電路12，EEPROM，RS232接口電路和JTAG接口電路。所述單片機最小系統(tǒng)包括電源電路、時鐘電路和MCU，MCU的型號為ATMAGE16。所述輸出控制電路9和所述D/A變換電路11與所述MCU的輸出端連接，所述輸入控制電路10 和所述A/D變換電路12的輸入端連接，所述EEPR0M、RS232接口電路和JTAG接口電路與所述MUC雙向連接。所述信號采集電路包括電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器。所述電源系統(tǒng)控制器也可以使用其它的電源系統(tǒng)控制器，只要能夠實現(xiàn)必要的功能即可。所述電源系統(tǒng)從各熱源的熱交換結構設計和燃料電池堆溫度閉環(huán)控制兩方面來控制燃料電池堆內部的工作溫度。燃料電池堆溫度閉環(huán)控制采用模糊增量PID控制器實現(xiàn)，將所述電源系統(tǒng)的溫度一直控制在50-80° C之間，使得氫氣和空氣中的氧氣能夠充分反應，增加了發(fā)電效率，提高了所述電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所述電源系統(tǒng)采用氫氣循環(huán)的方式來實現(xiàn)燃料電池反應堆中氫氣加濕。電源系統(tǒng)工作時，所述電源控制系統(tǒng)根據不同的工作情況，通過調節(jié)工作風機8、循環(huán)泵4、散熱風機 7使所述電源系統(tǒng)向偏濕或偏干的方向運行，間接控制燃料電池堆內部的濕度，使得所述電源系統(tǒng)內的濕度適當，輸出電壓穩(wěn)定。所述電源系統(tǒng)通過自制減壓閥1，來實現(xiàn)氫氣供給系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定，空氣壓力采用常壓供給，空氣流速通過調節(jié)工作風機8的端電壓來實現(xiàn)，使得所述燃料電池反應堆中的氫氣和空氣的體積比、流速以及壓力維持在一定合理的范圍內，提高了氫氣和空氣中的氧化劑的反應程度，提高了所述電源系統(tǒng)的發(fā)電效率。對于尾氣和水蒸氣的排放，所述電源系統(tǒng)采取定瓦時間歇控制排氣閥6的方式來實現(xiàn)，降低了水蒸氣及尾氣對所述燃料電池反應堆內部濕度的影響，提高了發(fā)電效率以及所述電源系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。在能量管理的過程中，通過檢測所述電源系統(tǒng)和所述蓄電池的直流電壓的大小來有效的完成所述燃料電池堆和所述蓄電池的能量管理和控制。如果所述電源系統(tǒng)的直流電壓超過蓄電池的電壓參考值，則可能系統(tǒng)無負載或系統(tǒng)負載比較小，同時蓄電池處于高荷電狀態(tài)，這時所述電源系統(tǒng)進入蓄電池限壓模式(BVL)。在這種模式中，所述電源系統(tǒng)的輸出電流和蓄電池的充電電流均應小于其限定電流。如果所述電源系統(tǒng)的直流電壓低于蓄電池的參考電壓，則可能對應的負載較大或負載較小，同時蓄電池處于低荷電狀態(tài)，這時，所述電源系統(tǒng)根據負載情況確定進入燃料電池恒流模式(FCCL)或蓄電池恒流模式(BCL)。如果負載功率低于所述燃料電池堆的最大輸出功率，這時應調整蓄電池的充電電流以保護蓄電池。如果負載比較大，所述電源系統(tǒng)的電流將增大到其極限值，進入燃料電池堆恒流模式 (FCCL)。在這種情況下，蓄電池不充電或充電電流很小。如果所述蓄電池的直流電壓低于預設的蓄電池的最低電壓值，則切斷負載，保護蓄電池，防止蓄電池過量放電。
所述電源系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(1)所述電源系統(tǒng)中的電源系統(tǒng)控制器和功率調節(jié)器組成電源控制系統(tǒng)。所述電源控制系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測所述電源系統(tǒng)的輸出電壓、輸出電流和蓄電池的電壓、電流，能夠將輸出電壓一直控制在一個穩(wěn)定水平，并且在系統(tǒng)出現(xiàn)輸入欠壓、輸出過壓、輸出短路等故障時，報警并斷路保護，提高了所述電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。 (2)所述電源控制系統(tǒng)能夠按照設定好的控制策略控制驅動所述進氣閥和排氣閥，使所述電源系統(tǒng)的燃料供給和尾氣排放可靠穩(wěn)定；(3)所述電源控制系統(tǒng)通過監(jiān)測所述電源系統(tǒng)的溫度，控制所述燃料電池堆的散熱風機，使燃料電池堆的溫度一直維持在一個較低的水平；(4)所述電源控制系統(tǒng)能夠按照設定好的控制策略控制氫氣循環(huán)泵和工作風機，在可靠提供所述電源系統(tǒng)所需的氧化劑的同時，間接實現(xiàn)了對所述電源系統(tǒng)濕度的控制；(5) 所述電源控制系統(tǒng)能夠實時檢測氫氣罐內氣體壓力的變化，在壓力不足時提醒更換氫氣罐，使所述電源系統(tǒng)能夠穩(wěn)定持續(xù)的提供電能。綜合以上幾點，所述電源系統(tǒng)具有輸出電壓穩(wěn)定、工作穩(wěn)定性強的特點。
權利要求
1.一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng)，其特征在于所述電源系統(tǒng)包括儲氫罐、進氣閥(2)、PEMFC燃料電池堆、氫氣循環(huán)泵(4)、汽水分離器(5)、排氣閥(6)、功率調節(jié)器和電源系統(tǒng)控制器，所述PEMFC燃料電池堆包括由多個燃料單電池串聯(lián)組成的PEMFC燃料電池反應堆、散熱風機(7)、能夠采集PEMFC燃料電池反應堆電流、電壓和溫度的信號采集電路(3) 和工作風機(8 )，所述儲氫罐通過管路經進氣閥(2 )接所述PEMFC燃料電池反應堆的氫氣進氣口，所述PEMFC燃料電池反應堆的出氣口通過管路經氫氣循環(huán)泵(4)與所述汽水分離器 (5 )連接，所述汽水分離器(5 )的氫氣出氣口通過管路與所述PEMFC燃料電池反應堆的氫氣進氣口連接，所述汽水分離器(5 )的排氣口通過管路與所述排氣閥(6 )連接；所述散熱風機 (7 )與所述PEMFC燃料電池反應堆的散熱風進氣口連接，所述工作風機(8 )與所述PEMFC燃料電池反應堆的氧化劑進氣口連接；所述信號采集電路(3)的輸出端一路與所述電源系統(tǒng)控制器的輸入端連接，所述信號采集電路(3)的輸出端另一路與所述功率調節(jié)器的輸入端連接；所述電源系統(tǒng)控制器的輸出端與所述進氣閥(2)、散熱風機(7)、工作風機(8)、氫氣循環(huán)泵(4 )和排氣閥(6 )的控制端連接，所述電源系統(tǒng)控制器與所述功率調節(jié)器雙向連接。
2.根據權利要求1所述的一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng)，其特征在于所述電源系統(tǒng)還包括減壓閥(1)，所述減壓閥(1)固定連接在所述儲氫罐和所述進氣閥(2 )之間的管路上。
3.根據權利要求1或2所述的一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng)，其特征在于所述電源系統(tǒng)還包括蓄電池，所述蓄電池與所述功率調節(jié)器雙向連接。
4.根據權利要求1所述的一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng)，其特征在于所述電源系統(tǒng)控制器包括單片機最小系統(tǒng)，能夠控制指示燈、蜂鳴器、進氣閥(2)、排氣閥(6)、系統(tǒng)上電、負載開關的輸出控制電路(9)，能夠接收開機按鈕信號和關機按鈕信號的輸入控制電路(10)，能夠控制散熱風機(7)、工作風機(8)、氫氣循環(huán)泵(4)和DC/DC變換的D/A變換電路(11)，能夠接收燃料電池電流、燃料電池電壓、燃料電池溫度、蓄電池電流、直流母線電壓、環(huán)境溫度和燃料電池單片電壓的A/D變換電路(12)，EEPROM, RS232接口電路和JTAG接口電路；所述單片機最小系統(tǒng)包括電源電路、時鐘電路和MCU，所述輸出控制電路(9)和所述D/A變換電路(11)與所述MCU的輸出端連接，所述輸入控制電路(10 )和所述A/D變換電路(12)的輸入端連接，所述EEPR0M、RS232接口電路和JTAG接口電路與所述MUC雙向連接。
5.根據權利要求4所述的一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng)，其特征在于所述MCU 的型號為ATMAGE16。
6.根據權利要求1所述的一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng)，其特征在于所述信號采集電路(3 )包括電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器。
7.根據權利要求1所述的一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng)，其特征在于所述功率調節(jié)器的型號為CKN150-12S24。
8.根據權利要求1所述的一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng)，其特征在于所述進氣閥(2)和排氣閥(6)為電磁閥。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種便攜式PEMFC燃料電池電源系統(tǒng)，屬于燃料電池技術領域。所述電源系統(tǒng)包括儲氫罐、減壓閥、進氣閥、PEMFC燃料電池堆、氫氣循環(huán)泵、汽水分離器、排氣閥、蓄電池、功率調節(jié)器和電源系統(tǒng)控制器。所述電源系統(tǒng)通過電源控制系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測所述電源系統(tǒng)的輸出電壓、輸出電流和蓄電池的電壓、電流，能夠將輸出電壓一直控制在一個穩(wěn)定水平，并且在所述電源系統(tǒng)出現(xiàn)輸入欠壓、輸出過壓、輸出短路等故障時，報警并斷路保護，提高了所述電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，具有廣泛的應用前景。
文檔編號H01M8/04GK102569854SQ20121002092
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月30日 優(yōu)先權日2012年1月30日
發(fā)明者呂艷梅, 王勝開, 閻群, 陳國順 申請人:中國人民解放軍63908部隊