專利名稱：燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種燃料電池，尤其涉及一種燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種能夠?qū)⑷剂吓c氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。該裝置的核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極由一張質(zhì)子交換膜和夾在膜兩面的兩張可導(dǎo)電多孔性擴(kuò)散材料(如碳紙)組成，在質(zhì)子交換膜與導(dǎo)電材料接觸的兩邊界面上均勻分布有細(xì)小分散的可引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑(如金屬鉑)。膜電極兩邊用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的電子通過外電路引出，就構(gòu)成了電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(如碳紙)，并在催化劑表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端—陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體(如空氣)，通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(如碳紙)，并在催化劑表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，得到電子形成負(fù)離子，該負(fù)離子進(jìn)一步與從陽極端遷移過來的正離子結(jié)合，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在以氫氣為燃料、以含有氧氣的空氣為氧化劑(或以純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)發(fā)生失去電子的催化電化學(xué)反應(yīng)，形成氫正離子(質(zhì)子)，其電化學(xué)反應(yīng)方程式為，氧氣在陰極區(qū)發(fā)生得到電子的催化電化學(xué)反應(yīng)，形成負(fù)離子，該負(fù)離子進(jìn)一步與從陽極端遷移過來的氫正離子結(jié)合，形成反應(yīng)產(chǎn)物水，其電化學(xué)反應(yīng)方程式為。燃料電池中的質(zhì)子交換膜除了用于發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)以及遷移交換反應(yīng)中產(chǎn)生的質(zhì)子外，其作用還包括將含有燃料氫氣的氣流與含有氧化劑(氧氣)的氣流分隔開來，使它們不會(huì)相互混合而產(chǎn)生爆炸式反應(yīng)。
在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極一般放在兩塊導(dǎo)電的極板之間，兩極板上均開設(shè)有導(dǎo)流槽，因此又稱作導(dǎo)流極板。導(dǎo)流槽開設(shè)在與膜電極接觸的表面上，通過壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻形成，其數(shù)量在一條以上。導(dǎo)流極板可以由金屬材料制成，也可以由石墨材料制成。導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽的作用是將燃料或氧化劑分別導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)或陰極區(qū)。在一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極和兩塊導(dǎo)流極板，兩塊導(dǎo)流極板分設(shè)在膜電極兩邊，一個(gè)作為陽極燃料的導(dǎo)流極板，另一個(gè)作為陰極氧化劑的導(dǎo)流極板。這兩塊導(dǎo)流極板既作為電流集流板，也是膜電極兩邊的機(jī)械支撐。導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽既是燃料或氧化劑進(jìn)入陽極或陰極表面的通道，也是將電池運(yùn)行過程中生成的水帶走的出水通道。
為了增大質(zhì)子交換膜燃料電池的功率，通常將兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通過直疊的方式或平鋪的方式連在一起組成電池組，或稱作電池堆。這種電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。在電池組中，位于兩質(zhì)子交換膜之間的極板的兩面都設(shè)有導(dǎo)流槽，稱為雙極板。雙極板的其中一面作為一個(gè)膜電極的陽極導(dǎo)流面，另一面則作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面。一個(gè)典型的電池組通常還包括1)、燃料及氧化劑氣體的進(jìn)口和導(dǎo)流通道。其作用是將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個(gè)陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；2)、冷卻流體(如水)的進(jìn)、出口與導(dǎo)流通道。其作用是將冷卻流體均勻地分布到各個(gè)電池組內(nèi)的冷卻通道中，吸收燃料電池內(nèi)產(chǎn)生的反應(yīng)熱并將其帶出電池組進(jìn)行散熱；3)、燃料與氧化劑氣體的出口與導(dǎo)流通道。其作用是將沒有參與反應(yīng)的多余燃料氣體和氧化劑排出，同時(shí)將反應(yīng)生成的液態(tài)或氣態(tài)的水帶出。上述燃料進(jìn)出口、氧化劑進(jìn)出口和冷卻流體的進(jìn)出口通常都開設(shè)在燃料電池組的一個(gè)端板上或分別開設(shè)在兩個(gè)端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可制作成移動(dòng)式或固定式的發(fā)電系統(tǒng)。
在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，要對(duì)進(jìn)燃料電池的氫氣或空氣進(jìn)行增濕，根據(jù)上海神力科技有限公司“一種用于燃料電池的高效增濕裝置”，中國專利號(hào)02111824.8，這一工作通過旋轉(zhuǎn)式增濕鼓完成，旋轉(zhuǎn)式增濕鼓旋轉(zhuǎn)速度越快，傳感器的脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖信號(hào)的周期計(jì)算出增濕鼓轉(zhuǎn)速，采用PID比例積分增量調(diào)節(jié)算法或模糊控制算法控制增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)轉(zhuǎn)速直至增濕轉(zhuǎn)鼓的速度與給定速度同步一致，同時(shí)向通訊線發(fā)出實(shí)際增濕轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速信號(hào)，供其它控制單元作為報(bào)警保護(hù)的依據(jù)。
所述的速度控制及功率放大器包括光電耦合器和MOS場效應(yīng)管，光電耦合器的輸入端連接單片機(jī)的輸出端，光電耦合器的輸出端連接MOS場效應(yīng)管的輸入端，MOS場效應(yīng)管的輸出端連接增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)，光電耦合器作為光電隔離傳輸速度控制信號(hào)。
所述的通訊接口為CAN總線接口。
本實(shí)用新型燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置可以自動(dòng)修正燃料電池增濕電機(jī)的控制參數(shù)，穩(wěn)定燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空氣濕度的平衡；本裝置對(duì)輸入、輸出進(jìn)行信號(hào)隔離，抗干擾性能強(qiáng)，特別對(duì)燃料電池長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行有非常重要的作用。
通過以下對(duì)本實(shí)用新型燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置的一實(shí)施例結(jié)合其附圖的描述，可以進(jìn)一步理解本實(shí)用新型的目的、具體結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)點(diǎn)。其中，附圖為圖1是本實(shí)用新型燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本實(shí)用新型一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1，本實(shí)用新型是50千瓦燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)中燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置，包括轉(zhuǎn)盤U4、速度傳感器U3、單片機(jī)U1、速度控制及功率放大器U2、增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)M1以及通訊接口U5。轉(zhuǎn)盤U4安裝在增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)M1的主軸上，該轉(zhuǎn)盤可以是含有多個(gè)齒的金屬轉(zhuǎn)盤片(與接近開關(guān)配合使用)，也可以是含有多個(gè)磁鐵的轉(zhuǎn)盤(與霍爾開關(guān)配合使用)，還可以是多孔輪盤(與光電開關(guān)配合使用)。速度傳感器U3設(shè)置在轉(zhuǎn)盤U4的附近，該速度傳感器U3包括感應(yīng)開關(guān)和光電耦合器，感應(yīng)開關(guān)可為接近開關(guān)、光電開關(guān)或進(jìn)燃料電池的氫氣或空氣的溫度與相對(duì)濕度都越高。燃料電池增濕鼓在運(yùn)行過程中，由于受環(huán)境溫度、摩擦系數(shù)以及電機(jī)性能下降等影響，它的增濕性能也會(huì)跟著變化，從而影響了進(jìn)入燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部反應(yīng)的空氣濕度恒定控制的平衡，嚴(yán)重時(shí)可能使整個(gè)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)崩潰。為了確保燃料電池的穩(wěn)定工作，要對(duì)旋轉(zhuǎn)式增濕鼓的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制，即對(duì)帶動(dòng)增濕鼓轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制?，F(xiàn)有燃料電池增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)采用直接變速控制方法，沒有速度測量反饋電路，無法精確地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)燃料電池運(yùn)行溫度或環(huán)境溫度變化時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)變化。這種方法控制的燃料電池增濕鼓的轉(zhuǎn)速偏差比較大。燃料電池增濕鼓的增濕性能一致性差，更換增濕鼓時(shí)要對(duì)控制器的參數(shù)重新調(diào)整，互換性差。不能保證燃料電池長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)增濕鼓發(fā)生故障時(shí)無法識(shí)別報(bào)警保護(hù)。增濕鼓轉(zhuǎn)速長時(shí)間偏離設(shè)定要求的速度會(huì)導(dǎo)致燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)濕度控制失效，并導(dǎo)致性能下降，甚至造成永久損傷。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的，就是為了解決上述問題而提供一種燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置，其特征在于包括轉(zhuǎn)盤、速度傳感器、單片機(jī)、速度控制及功率放大器、增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)以及通訊接口，所述的轉(zhuǎn)盤安裝在增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)的主軸上，所述的速度傳感器設(shè)置在轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速感應(yīng)區(qū)域，所述的單片機(jī)的輸入端連接速度傳感器，輸出端分別連接速度控制及功率放大器和通訊接口，所述的速度控制及功率放大器的輸出端連接增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)。
所述的轉(zhuǎn)盤為含有多個(gè)齒的金屬轉(zhuǎn)盤片或含有多個(gè)磁鐵的轉(zhuǎn)盤或多孔輪盤。
所述的速度傳感器包括感應(yīng)開關(guān)和光電耦合器，感應(yīng)開關(guān)的一端接近轉(zhuǎn)盤，其信號(hào)輸出端連接光電耦合器的輸入端，光電耦合器的輸出端連接單片機(jī)的輸入端。
所述的感應(yīng)開關(guān)可為接近開關(guān)、光電開關(guān)或霍爾開關(guān)。
所述的單片機(jī)含有PWM脈寬調(diào)制電路或D/A轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)采集速度霍爾開關(guān)，其一端接近轉(zhuǎn)盤，感應(yīng)開關(guān)的信號(hào)輸出端連接光電耦合器的輸入端，光電耦合器的輸出端連接單片機(jī)的輸入端，光電耦合器用于隔離速度傳感器的速度信號(hào)。單片機(jī)的輸入端連接速度傳感器，其輸出端分別連接速度控制及功率放大器和通訊線，單片機(jī)U1內(nèi)含有PWM脈寬調(diào)制電路或D/A轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)采集速度傳感器的脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖信號(hào)的周期計(jì)算出增濕鼓轉(zhuǎn)速，采用PID比例積分增量調(diào)節(jié)算法或模糊控制算法控制增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)轉(zhuǎn)速直至增濕轉(zhuǎn)鼓的速度與給定速度同步一致，同時(shí)向通訊線發(fā)出實(shí)際增濕轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速信號(hào)，供其它控制單元作為報(bào)警保護(hù)的依據(jù)。速度控制及功率放大器U2的輸出端連接增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)，速度控制及功率放大器U2包括光電耦合器和MOS場效應(yīng)管，光電耦合器的輸入端連接單片機(jī)的輸出端，光電耦合器的輸出端連接MOS場效應(yīng)管的輸入端，MOS場效應(yīng)管的輸出端連接增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)，光電耦合器作為光電隔離傳輸速度控制信號(hào)。通訊接口U5為CAN總線接口。
參見圖2，圖2是本實(shí)用新型的一個(gè)50千瓦燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)中增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置的實(shí)施例。在本實(shí)施例中，采用接近開關(guān)U3作為速度傳感器，采用多齒轉(zhuǎn)盤片U4作為轉(zhuǎn)盤，多齒轉(zhuǎn)盤片U4每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，光電耦合器N1的發(fā)光二極管端有四次電脈沖信號(hào)，設(shè)單片機(jī)U1的POT1端口上測得脈沖周期為T(s)，則增濕鼓每轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間周期是4T(s)，增濕鼓轉(zhuǎn)速＝60(s)/4T(s)＝12.5/T(轉(zhuǎn)/分)，單片機(jī)U1根據(jù)POT1口的脈沖周期可計(jì)算出轉(zhuǎn)鼓速度。軟件可采用PID比例調(diào)節(jié)算法或其他算法，使增濕鼓速度跟蹤給定速度，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化，如電源電壓、溫度、氣流等條件變化時(shí)也能保證增濕鼓的速度保持穩(wěn)定，從而保證燃料電池有比較穩(wěn)定的濕度條件。
在本實(shí)施例中，V3為IRFP150N MOS場效應(yīng)管用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓電機(jī)M1，MOS場效應(yīng)管V3是由單片機(jī)U1的POT2端口驅(qū)動(dòng)的，為了提高電磁兼容性采用光電耦合器U2作為光電隔離傳輸速度控制信號(hào)，采用光電耦合器N1隔離速度傳感器U3的速度信號(hào)。單片機(jī)U1的POT2端口是PWM脈寬調(diào)制輸出結(jié)構(gòu)，MOS場效應(yīng)管V3的導(dǎo)通比決定了轉(zhuǎn)鼓電機(jī)速度。圖2中，U5為CAN總線通訊接口，V2為IN5819二極管。
權(quán)利要求1.一種燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置，其特征在于包括轉(zhuǎn)盤、速度傳感器、單片機(jī)、速度控制及功率放大器、增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)以及通訊接口，所述的轉(zhuǎn)盤安裝在增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)的主軸上，所述的速度傳感器設(shè)置在轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速感應(yīng)區(qū)域，所述的單片機(jī)的輸入端連接速度傳感器，輸出端分別連接速度控制及功率放大器和通訊接口，所述的速度控制及功率放大器的輸出端連接增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置，其特征在于所述的轉(zhuǎn)盤為含有多個(gè)齒的金屬轉(zhuǎn)盤片或含有多個(gè)磁鐵的轉(zhuǎn)盤或多孔輪盤。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置，其特征在于所述的速度傳感器包括感應(yīng)開關(guān)和光電耦合器，感應(yīng)開關(guān)的一端接近轉(zhuǎn)盤，其信號(hào)輸出端連接光電耦合器的輸入端，光電耦合器的輸出端連接單片機(jī)的輸入端。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置，其特征在于所述的感應(yīng)開關(guān)可為接近開關(guān)、光電開關(guān)或霍爾開關(guān)。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置，其特征在于所述的單片機(jī)含有PWM脈寬調(diào)制電路或D/A轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)采集速度傳感器的脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖信號(hào)的周期計(jì)算出增濕鼓轉(zhuǎn)速，采用PID比例積分增量調(diào)節(jié)算法或模糊控制算法控制增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)轉(zhuǎn)速直至增濕轉(zhuǎn)鼓的速度與給定速度同步一致，同時(shí)向通訊線發(fā)出實(shí)際增濕轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速信號(hào)，供其它控制單元作為報(bào)警保護(hù)的依據(jù)。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置，其特征在于所述的速度控制及功率放大器包括光電耦合器和MOS場效應(yīng)管，光電耦合器的輸入端連接單片機(jī)的輸出端，光電耦合器的輸出端連接MOS場效應(yīng)管的輸入端，MOS場效應(yīng)管的輸出端連接增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)，光電耦合器作為光電隔離傳輸速度控制信號(hào)。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置，其特征在于所述的通訊接口為CAN總線接口。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置，包括轉(zhuǎn)盤、速度傳感器、單片機(jī)、速度控制及功率放大器、增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)以及通訊接口，所述的轉(zhuǎn)盤安裝在增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)的主軸上，所述的速度傳感器設(shè)置在轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速感應(yīng)區(qū)域，所述的單片機(jī)的輸入端連接速度傳感器，輸出端分別連接速度控制及功率放大器和通訊接口，所述的速度控制及功率放大器的輸出端連接增濕轉(zhuǎn)鼓電機(jī)。本實(shí)用新型燃料電池增濕鼓增濕平衡穩(wěn)定控制裝置可以自動(dòng)修正燃料電池增濕電機(jī)的控制參數(shù)及控制轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空氣濕度的平衡；本裝置可對(duì)輸入、輸出進(jìn)行信號(hào)隔離，抗干擾性能強(qiáng)，特別對(duì)燃料電池長時(shí)間保證恒濕穩(wěn)定運(yùn)行有非常重要的作用。
文檔編號(hào)G05D22/00GK2859822SQ20052004731
公開日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2005年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月8日
發(fā)明者付明竹, 鮑軍輝, 郭磊, 胡里清 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司