一种适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置，该装置包括单电池电压检测器、综合分析控制器、发电系统上层控制器或上层监视器，所述的单电池电压检测器包括具有控制器区域总线（ＣＡＮ总线）通讯接口的单片机、若干光电开关装置，该若干光电开关装置与若干需监控的单电池一一对应连接，所述的单片机输出信号巡回控制相应光电开关装置的导通或闭合，该单片机可以将采集到的数值通过ＣＡＮ总线发送到综合分析控制器、发电系统上层控制器或上层监视器。与现有技术相比，本发明专利技术具有结构简单、性能可靠等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池，尤其涉及一种适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置。
技术介绍
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，又可以用作移动式或固定式的发电站。燃料电池发电系统主要由燃料电池堆与电池堆支持运行系统组成。作为车、船动力或发电站大功率的燃料电池发电系统方面的应用，要求可以输出几十千瓦，甚至输出几百千瓦的功率。对这样大功率的输出要求，必须有相应的大功率输出的燃料电池堆与支持运行系统。大功率输出的燃料电池堆工程设计与制造，从技术与制造成本方面来分析，一般无法采用一个由许多块大面积极板构成的巨型单堆方法，而是采用由多个中小功率燃料电池堆模块集成在一起达到大功率输出要求的方法。上海神力公司“一种可以模块化装配的大规模集成式燃料电池”(专利技术专利号03141840.6；技术专利号03255963.1)就是一种通过许多燃料电池堆模块集成在一起的集成式燃料电池。每个质子交换膜燃料电池堆模块一般由若干个单电池串联或并联而成，对燃料电池工作电压，特别是所有单电池工作电压监控与安全报警自动控制尤为重要。因为整个燃料电池发电系统的任何不正常情况，如过电流，超出正常工作温度等都会表现出一些单电池工作电压处于异常状态。特别是当出现电极击穿时，该电极所在的单电池输出电压会达到异常数值，如接近于零，甚至出现负值，而其他正常的单电池工作输出电压一般在1.2～0.5V之间。长时间运行在负值的电极会造成永久损坏和存在不安全因素。所以对燃料电池堆每个模块的单电池监测是非常重要的，当个别或一些单电池工作电压低于其他单电池正常工作电压时，燃料电池发电系统的控制子系统应及时报警，甚至执行停机，切断负载，切断氢气供应等命令。上海神力公司“燃料电池各单电池工作电压监控与安全报警的装置及方法”(专利技术专利号02136838.4；技术专利号02266891.8)。该专利专利技术所要解决的技术问题是提供一种对单电池工作电压的监控与安全报警的装置及方法，其可实现对一个单电池或少量单电池电池组的真实输出电压进行直接测量并对异常情况提供安全报警，并给控制器下达安全防护命令。该专利技术虽然可以对一个燃料电池堆模块中的一个单电池或一组单电池的输出电压进行监测，但也存在一些技术缺陷，该技术所采用的单片机包括一A/D转换器及若干开关装置，一个燃料电池堆模块中地每个单电池至少有一组单独的引出监测线与相应的开关装置及A/D转换器相连接，每个开关装置都与单片机相连接(如图1)。所以，当燃料电池堆所含的单电池数太多，或需要监测多个燃料电池堆模块中所有单电池工作电压时，上述技术会导致以下几种情况 1.采用RS485通讯方式速度较低、可靠性较低；2.需要大量的译码电路，体积加大，不适合用于大型集成式燃料电池组。3.电池监测线数量太多，引线太长；4.由于引线太长，容易受到外部电磁干扰，通讯可靠性降低；5.体积庞大，接线复杂；
技术实现思路
本专利技术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结构简单、性能可靠的适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现一种适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置，其特征在于，该装置包括单电池电压检测器、综合分析控制器、发电系统上层控制器或上层监视器，所述的单电池电压检测器包括具有控制器区域总线(CAN总线)通讯接口的单片机、若干光电开关装置，该若干光电开关装置与若干需监控的单电池一一对应连接，所述的若干光电开关装置无需与译码电路直接相连，所述的单片机输出信号巡回控制相应光电开关装置的导通或闭合，进而导通或闭合相应的需监控的各单电池检测电路，所述的单片机内部A/D转换器采集对应单电池的输出电压，该单片机可以将采集到的数值通过CAN总线发送到综合分析控制器、发电系统上层控制器或上层监视器，该综合分析控制器、上层控制器或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适合大规模集成式燃料电池的电压检测与监控装置，其特征在于，该装置包括单电池电压检测器、综合分析控制器、发电系统上层控制器或上层监视器，所述的单电池电压检测器包括具有控制器区域总线（ＣＡＮ总线）通讯接口的单片机、若干光电开关装置，该若干光电开关装置与若干需监控的单电池一一对应连接，所述的单片机输出信号巡回控制相应光电开关装置的导通或闭合，进而导通或闭合相应的需监控的各单电池检测电路，所述的单片机内部Ａ／Ｄ转换器采集对应单电池的输出电压，该单片机可以将采集到的数值通过ＣＡＮ总线发送到综合分析控制器、发电系统上层控制器或上层监视器，该综合分析控制器、上层控制器或上层监视器根据接收的数值正常或异常可以判断燃料电池单电池是否处于正常工作状态，是否报警，甚至执行停机的保护命令。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：傅明竹，胡里清，
申请(专利权)人：上海神力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]