一种用于海洋浮标的燃料电池监测设备制造技术

本发明专利技术公开了一种用于海洋浮标的燃料电池监测设备，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电系统的工作状态进行检测，包括控制器和参数检测单元；在所述参数检测单元中设置有燃料流量计、可燃气体探测器、温度传感器和电压传感器，所述参数检测单元将检测到的各类参数传输至控制器，用于燃料电池供电系统的故障检测和工作性能指标的计算。本发明专利技术的燃料电池监测设备结构简单、紧凑，体积小，成本低，适合应用在海洋浮标中，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电系统的工作性能指标进行实时检测，并在燃料电池供电系统发生故障时实现对故障类型地及时诊断和报警，由此大大提高了供电系统运行的安全性和可靠性，方便了系统的调试和维护工作。

【技术实现步骤摘要】
一种用于海洋浮标的燃料电池监测设备
本专利技术属于电池检测
，具体地说，是涉及一种用于对安装在海洋浮标上的燃料电池的运行状况以及可能发生的故障进行监测的燃料电池监测设备。
技术介绍
燃料电池作为一种新能源供电技术，最大的优势就是能量密度特别高。因此，在同等的体积和质量条件下，燃料电池能够为海洋浮标提供更长久的续航能力。燃料电池供电系统因为由多个器件、多个仪表和多个控制单元组成，系统参数多而且参数之间存在很强的非线性动态耦合特性，所以，燃料电池发电系统的结构集成和控制设计十分重要，也十分复杂。针对海洋浮标的特殊应用环境和要求，燃料电池供电系统要求高度的集成化和小型化，强调系统长期自动化运行的可靠性和高效性。通过近两年的科研攻关，我国已经研制出一套可适用于海洋浮标的固体氧化物燃料电池供电设备样机，并通过大量的系统功能测试，开始安装到海洋浮标的舱体内进行自主的示范运行。在示范运行期间，为了更好地了解燃料电池供电系统的运行情况，确保其长期运行的安全性和可靠性，需要对燃料电池的工作状况进行实时或定时的监测。但是，目前应用于燃料电池供电系统的成熟测试平台虽然功能强大，但是体积庞大而且成本很高，不适合在海洋浮标舱体内的实际应用。而且，这些测试平台缺少对燃料电池供电系统的故障检测功能，因此不适合针对海洋浮标应用的燃料电池供电系统示范运行的监测要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于海洋浮标的燃料电池监测设备，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电系统的运行状况以及可能发生的故障进行自动检测和识别。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案予以实现: 一种用于海洋浮标的燃料电池监测设备，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电系统的工作状态进行检测，包括控制器和参数检测单元；在所述参数检测单元中设置有燃料流量计、可燃气体探测器、温度传感器和电压传感器，所述参数检测单元将检测到的各类参数传输至控制器，用于燃料电池供电系统的故障检测；其中，所述故障检测包括以下的一种或多种: 燃料泄漏故障检测:在燃料电池供电系统的外部安装可燃气体探测器，所述控制器接收可燃气体探测器输出的检测信号，当接收到可燃气体探测器输出的表示检测到可燃气体的有效信号时，判定系统发生燃料泄漏故障；电堆向外泄露氢气故障检测:利用温度传感器检测燃料电池的电堆内部温度和燃烧室内部温度；若检测到电堆内部温度小于600 V、且燃烧室内部温度的下降速度超过5-10%/min，并且控制器检测到发生燃料泄漏故障时，则判定系统发生电堆向外泄露氢气故障；电堆发生燃气泄漏并燃烧故障检测:利用电压传感器检测通过燃料电池供电系统输出的电压值，并通过温度传感器检测通过电堆排出的燃气温度和空气温度；若检测到通过电堆排出的燃气温度和空气温度的上升速度均超过l°c /min，且系统输出电压的下降速度超过0.lV/min，则判定电堆发生燃气泄漏并产生燃烧； 换热器管道破裂导致漏热故障检测:利用温度传感器检测输入到燃料电池的燃烧室中的空气温度和氢气温度，以及输入到换热器的烟气温度；若三个温度均下降，但燃烧室的内部温度不变，则判定换热器的管道发生破裂并导致漏热； 燃料供应故障检测:利用燃料流量计检测进入燃料电池中重整器的燃料流量，若采集到的燃料流量与设定的流量值相比，差值超过设定阈值W，则判定系统燃料供应不正常。进一步的，所述故障检测还包括系统运行温度过高故障检测:利用温度传感器分别检测燃料电池供电系统在运行期间内，其重整器、换热器、燃烧室和电堆的内部温度，若检测到有一个温度超出与之对应的安全阈值，则判定系统的运行温度过高。优选的，所述重整器的内部温度的安全阈值为900°C ;所述换热器的内部温度的安全阈值为900°C ;所述燃烧室的内部温度的安全阈值为940°C ;所述电堆的内部温度的安全阈值为900°C ;在所述燃料供应故障检测中，所述设定的流量值根据燃料电池供电系统的输出功率确定，所述设定阈值W等于0.5SLM。又进一步的，所述故障检测还包括系统电压突变故障检测:利用电压传感器检测通过燃料电池供电系统输出的电压值，若连续两次检测到的电压值的差值超过0.1V，则判定系统电压发生突变。优选的，所述温度传感器设置有多个，用于检测重整器、电堆、燃烧室和换热器的内部温度的温度传感器，分别对应安装在重整器、电堆、燃烧室和换热器内部侧壁的正中心部位；用于检测输入到燃烧室中的空气和氢气温度的温度传感器，对应安装在与燃烧室的空气入口和氢气入口对应连通的输气管道中且紧邻燃烧室的位置；用于检测通过电堆排出的空气和燃气温度的温度传感器，对应安装在与电堆的空气出口和燃气出口对应连通的输气管道中且紧邻电堆的位置；用于检测输入到换热器中的烟气温度的温度传感器，安装在与换热器的烟气入口连通的输气管道中且紧邻换热器的位置。作为所述温度传感器的一种优选安装方式，在将所述温度传感器安装到各监测点时，在对应每个监测点的输气管道上或者重整器、电堆、燃烧室、换热器的侧壁上分别开设通孔，在输气管道的外壁或者重整器、电堆、燃烧室、换热器的外侧壁上与所述通孔相对应的位置分别安装一个底座，将所述温度传感器通过通孔伸入到输气管道中或者伸入到重整器、电堆、燃烧室、换热器的内部，并固定在底座上，然后通过活动卡套对所述通孔进行密封。优选的，所述温度传感器均为热电偶温度传感器；所述可燃气体探测器安装在距离电堆上方0.3m的位置处。为了对燃料电池供电系统的工作性能指标进行检测，本专利技术在所述参数检测单元中还设置有用于检测通过燃料电池供电系统输出的电流大小的电流传感器，以及用于检测燃料电池供电系统中通过鼓风机排出的空气流量的空气流量计；所述控制器根据参数检测单元反馈的检测信号生成燃料电池供电系统的工作性能指标；所述工作性能指标包括以下的一种或多种: 燃料在线消耗量，根据燃料流量计采集到的进入重整器的燃料流量确定； 空气在线消耗量，根据空气流量计采集到的鼓风机排出的空气流量确定； 燃料利用率，根据单位燃料参加电化学反应放出的电子数以及采集到的供电系统输出的电流值，计算出电化学反应消耗的燃料量，再除以进入重整器的燃料流量，得到燃料利用率； 空气过量比，根据进入重整器的燃料流量计算参加系统反应的空气流量；利用鼓风机排出的空气流量除以参加系统反应的空气流量，得到空气过量比； 燃料电池供电系统的电效率，根据电压传感器和电流传感器采集到的系统输出电压和输出电流，计算电堆的输出功率，然后除以与燃料流量相关的燃料燃烧热值能量，得到系统的电效率； 燃料电池供电系统的净电效率，利用电堆的输出功率减去鼓风机的寄生功耗，然后再除以燃料燃烧热值能量，得到系统的净电效率； 燃料电池供电系统的能量密度，根据电压传感器和电流传感器采集到的系统输出电压和输出电流，结合已知的系统参数计算得到。为了能够在现场观测到燃料电池供电系统的故障检测结果和工作性能指标，本专利技术在所述燃料电池监测设备中还设置有显示单元，连接所述的控制器，所述控制器将生成的故障信号和工作性能指标发送至显示单元显示输出，供现场人员观测。为了对燃料电池供电系统的故障检测结果和工作性能指标进行远程监控，本专利技术在所述燃料电池监测设备中还设置有无线通信模块，所述控制器将生成的故障信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于海洋浮标的燃料电池监测设备，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电系统的工作状态进行检测，其特征在于：包括控制器和参数检测单元；在所述参数检测单元中设置有燃料流量计、可燃气体探测器、温度传感器和电压传感器，所述参数检测单元将检测到的各类参数传输至控制器，用于燃料电池供电系统的故障检测；所述故障检测包括以下的一种或多种：燃料泄漏故障检测：在燃料电池供电系统的外部安装可燃气体探测器，所述控制器接收可燃气体探测器输出的检测信号，当接收到可燃气体探测器输出的表示检测到可燃气体的有效信号时，判定系统发生燃料泄漏故障；电堆向外泄露氢气故障检测：利用温度传感器检测燃料电池的电堆内部温度和燃烧室内部温度；若检测到电堆内部温度小于600℃、且燃烧室内部温度的下降速度超过5‑10%/min，并且控制器检测到发生燃料泄漏故障时，则判定系统发生电堆向外泄露氢气故障；电堆发生燃气泄漏并燃烧故障检测：利用电压传感器检测通过燃料电池供电系统输出的电压值，并通过温度传感器检测通过电堆排出的燃气温度和空气温度；若检测到通过电堆排出的燃气温度和空气温度的上升速度均超过1℃/min，且系统输出电压的下降速度超过0.1V/min，则判定电堆发生燃气泄漏并产生燃烧；换热器管道破裂导致漏热故障检测：利用温度传感器检测输入到燃料电池的燃烧室中的空气温度和氢气温度，以及输入到换热器的烟气温度；若三个温度均下降，但燃烧室的内部温度不变，则判定换热器的管道发生破裂并导致漏热；燃料供应故障检测：利用燃料流量计检测进入燃料电池中重整器的燃料流量，若采集到的燃料流量与设定的流量值相比，差值超过设定阈值W，则判定系统燃料供应不正常。...

【技术特征摘要】
1.一种用于海洋浮标的燃料电池监测设备，用于对安装在海洋浮标上的燃料电池供电系统的工作状态进行检测，其特征在于:包括控制器和参数检测单元；在所述参数检测单元中设置有燃料流量计、可燃气体探测器、温度传感器和电压传感器，所述参数检测单元将检测到的各类参数传输至控制器，用于燃料电池供电系统的故障检测； 所述故障检测包括以下的一种或多种: 燃料泄漏故障检测:在燃料电池供电系统的外部安装可燃气体探测器，所述控制器接收可燃气体探测器输出的检测信号，当接收到可燃气体探测器输出的表示检测到可燃气体的有效信号时，判定系统发生燃料泄漏故障； 电堆向外泄露氢气故障检测:利用温度传感器检测燃料电池的电堆内部温度和燃烧室内部温度；若检测到电堆内部温度小于600 V、且燃烧室内部温度的下降速度超过5-10%/min，并且控制器检测到发生燃料泄漏故障时，则判定系统发生电堆向外泄露氢气故障； 电堆发生燃气泄漏并燃烧故障检测:利用电压传感器检测通过燃料电池供电系统输出的电压值，并通过温度传感器检测通过电堆排出的燃气温度和空气温度；若检测到通过电堆排出的燃气温度和空气温度的上升速度均超过1°C /min，且系统输出电压的下降速度超过0.lV/min，则判定电堆发生燃气泄漏并产生燃烧； 换热器管道破裂导致漏热故障检测:利用温度传感器检测输入到燃料电池的燃烧室中的空气温度和氢气温度，以及输入到换热器的烟气温度；若三个温度均下降，但燃烧室的内部温度不变，则判定换热器的管道发生破裂并导致漏热； 燃料供应故障检测:利用燃料流量计检测进入燃料电池中重整器的燃料流量，若采集到的燃料流量与设定 的流量值相比，差值超过设定阈值W，则判定系统燃料供应不正常。2.根据权利要求1所述的用于海洋浮标的燃料电池监测设备，其特征在于:所述故障检测还包括: 系统运行温度过高故障检测:利用温度传感器分别检测燃料电池供电系统在运行期间内，其重整器、换热器、燃烧室和电堆的内部温度，若检测到有一个温度超出与之对应的安全阈值，则判定系统的运行温度过高。3.根据权利要求2所述的用于海洋浮标的燃料电池监测设备，其特征在于:所述重整器的内部温度的安全阈值为900°C ;所述换热器的内部温度的安全阈值为900°C ;所述燃烧室的内部温度的安全阈值为940°C ;所述电堆的内部温度的安全阈值为900°C ; 在所述燃料供应故障检测中，所述设定的流量值根据燃料电池供电系统的输出功率确定，所述设定阈值W等于0.5SLM。4.根据权利要求1所述的用于海洋浮标的燃料电池监测设备，其特征在于:所述故障检测还包括: 系统电压突变故障检测:利用电压传感器检测通过燃料电池供电系统输出的电压值，若连续两次检测到的电压值的差值超过0.1V，则判定系统电压发生突变。5.根据权利要求2所述的用于海洋浮标的燃料电池监测设备，其特征在于:所述温度传感器设置有多个，用于检测重整器、电堆、燃烧室和换热器的内部温度的温度传感器，分别对应安装在重整器、电堆、燃烧室和换热器内部侧壁的正中心部位；用于检测输入到...

【专利技术属性】
技术研发人员：张颖颖，张颖，吴宁，褚东志，侯广利，刘东彦，王昭玉，张述伟，程岩，王茜，马然，吴丙伟，孔祥峰，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37