專利名稱：一種帶有can接口的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣報警裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃料電池，尤其涉及燃料一種帶有CAN接口的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣報警裝置。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
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(碳紙)，并在催化劑表面上發(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(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)
陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流極板上的流體孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。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。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、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，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池既可以用作車、船等運(yùn)載工具的動力系統(tǒng)，又可用作移動式或固定式發(fā)電系統(tǒng)。
質(zhì)子交換膜燃料電池一般由若干個單電池組成，將這些單電池以串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接起來構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池堆，將質(zhì)子交換膜燃料電池堆與其他運(yùn)行支持系統(tǒng)組合起來構(gòu)成整個質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是采用氫氣為原料進(jìn)行發(fā)電的新型能源，具有無污染、轉(zhuǎn)換效能高、低噪音、低溫運(yùn)行等特點(diǎn).有著廣泛的應(yīng)用前景。但是燃料電池的原料-氫氣是一種易燃、易爆的氣體，為了使燃料電池發(fā)電系統(tǒng)能長期安全可靠的運(yùn)行，必須對燃料電池發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行氫氣泄漏的檢測，當(dāng)檢測到氫氣泄漏時及時報警并切斷氫氣源。
對氫氣的檢測一般采用氫敏元件，氫敏元件測量氣體成分含量的原理是當(dāng)被測氫氣通過氫敏元件的表面時，會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其內(nèi)部的金屬氧化物的阻值發(fā)生了變化，而其阻值的大小和通過它表面的氫氣濃度基本成線性關(guān)系。因此，只要將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，測量出電壓信號就可計算出對應(yīng)的氫氣濃度了。
參閱圖1。圖1為氫敏元件接線示意圖。圖1中，1是氫敏元件，2是負(fù)載電阻R。VC是工作電壓，VH是加熱電壓，VO是輸出電壓。
現(xiàn)在常用的氫氣報警器電路有兩種，一種采用模擬電路，它將輸出電壓VO連接到直流電橋電路中，當(dāng)氫敏元件檢測到氫氣后輸出電壓VO便會增加，模擬電路將VO的變化用電壓表指示出來，并發(fā)出聲光報警。模擬電路的優(yōu)點(diǎn)是不需要運(yùn)行程序，抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，精度低。另一種報警器電路是采用帶微處理器的電路，它的原理是將VO的變化通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供CPU處理。CPU通過運(yùn)行軟件算法對其進(jìn)行線性化處理和進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通過I/O口控制聲光報警器的開或關(guān)。采用微處理器電路的特點(diǎn)是電路簡單，精度高。
但是，以上兩種電路都只能對氫氣的泄漏進(jìn)行檢測和報警，而報警后關(guān)閉氫氣源的工作仍要操作人員人工操作，這樣會延誤事故的處理時間，造成安全事故。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種帶有CAN接口的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣報警裝置。
本實(shí)用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種帶有CAN接口的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣報警裝置，包括燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、氫氣檢測報警器、控制器、氫氣電磁閥和氫敏元件，其特征在于，所述的氫氣檢測報警器帶有CAN通信接口；所述的氫敏元件與氫氣檢測報警器電氣連接，將檢測到的反映氫氣濃度的電信號送至氫氣檢測報警器，氫氣檢測報警器與控制器通過雙路CAN總線連接，將報警信息發(fā)送至控制器，控制器與氫氣電磁閥電氣連接，控制氫氣電磁閥的開或關(guān)，氫氣電磁閥與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)連接，控制對燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的氫氣供應(yīng)。
所述的氫氣檢測報警器包括CPU、光電隔離器、固態(tài)繼電器、雙路CAN收發(fā)器、聲光報警器和電源；所述的電源與CPU連接，提供CPU工作電壓，光電隔離器為兩路，光電隔離器一端與CPU連接，一端與CAN收發(fā)器連接，作為CPU與CAN收發(fā)器之間的隔離裝置，CAN收發(fā)器采用兩路，與控制器連接通信，固態(tài)繼電器一端與CPU連接，受CPU控制，一端連接聲光報警器，控制聲光報警器工作。
所述的氫敏元件設(shè)置三個，分別設(shè)置在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣進(jìn)口處、電堆處和易產(chǎn)生氫氣泄漏處。
所述的CPU內(nèi)帶雙CAN總線控制器、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。
所述的聲光報警器具有定時報警和持續(xù)報警兩種報警方式。
本實(shí)用新型由于采用了以上技術(shù)方案，克服了原有技術(shù)中的缺陷。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型設(shè)計的一種帶有CAN通信接口的燃料電池氫氣報警裝置，除了具有檢測氫氣泄漏并報警的功能外，當(dāng)氫氣泄漏達(dá)到一定的濃度時，該裝置可以通過關(guān)閉氫氣管路電磁閥及時自動切斷氫氣源，確保安全。


圖1為氫敏元件接線示意圖；圖2為本實(shí)用新型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣報警裝置工作原理圖；圖3為本實(shí)用新型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣報警裝置組成電方框圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
參閱圖2，3。圖2是本實(shí)用新型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣報警裝置工作原理圖。圖中包括燃料電池發(fā)電系統(tǒng)201、三個氫敏元件202、氫氣電磁閥203、控制器204、CAN總線205，205’、氫氣檢測報警器206。
圖3為本實(shí)用新型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣報警裝置組成電方框圖；圖中包括CAN收發(fā)器301，302′、光電隔離器302、電源303、CPU 304、三個氫敏元件202、固態(tài)繼電器306、聲光報警器307。
實(shí)施例1本實(shí)施例結(jié)合具體的元器件型號對本實(shí)用新型實(shí)施方法作進(jìn)一步的敘述。
結(jié)合圖1，圖2。CPU 304采用PHILIPS的LPC2119的32位ARM，內(nèi)帶128K程序存儲器，16K數(shù)據(jù)存儲器，內(nèi)帶的雙CAN總線控制器可方便的進(jìn)行CAN通訊；三個氫敏元件202采用寧波思凱公司的氫敏元件QM-Q1，氫氣濃度測量范圍為10ppm～5000ppm，它將氫氣濃度信號轉(zhuǎn)換成0～3V的電壓信號，單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換口對模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到對應(yīng)的氫氣濃度值。當(dāng)氫氣的濃度大于設(shè)定值時就發(fā)出聲光報警，同時將報警信息通過CAN總線205，205′發(fā)給控制器204，控制器204會根據(jù)需要由I/O口發(fā)出開關(guān)量信號關(guān)閉氫氣管路電磁閥203。
實(shí)施例2本實(shí)施例是氫氣報警器在10KW燃料電池發(fā)電站或發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的實(shí)例。
結(jié)合圖1，圖3。三個氫敏元件202分別安裝在燃料電池發(fā)電站或發(fā)動機(jī)201的氫氣進(jìn)口處、電堆等容易產(chǎn)生氫氣泄漏的地方。氫氣報警器206通過雙CAN冗余通信總線205，205′和控制器204相連。當(dāng)三個氫敏元件202中的任一個檢測到氫氣濃度大于3000ppm時，氫氣報警器206便發(fā)出聲光報警，持續(xù)時間為15秒。在這15秒內(nèi)如氫氣濃度仍然大于3000ppm，則繼續(xù)聲光報警，如小于3000ppm了則關(guān)閉聲光報警。當(dāng)三個氫敏元件202中的任1個檢測到氫氣濃度大于5000ppm時，氫氣報警器206發(fā)出聲光報警，并把報警信息通過雙CAN通信總線205，205′發(fā)送到控制器204?？刂破?04立即通過I/O口關(guān)閉氫氣管路電磁閥203，這樣就能保證燃料電池發(fā)電站或發(fā)動機(jī)201安全可靠的運(yùn)行。
權(quán)利要求1.一種帶有CAN接口的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣報警裝置，包括燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、氫氣檢測報警器、控制器、氫氣電磁閥和氫敏元件，其特征在于，所述的氫氣檢測報警器帶有CAN通信接口；所述的氫敏元件與氫氣檢測報警器電氣連接，將檢測到的反映氫氣濃度的電信號送至氫氣檢測報警器，氫氣檢測報警器與控制器通過雙路CAN總線連接，將報警信息發(fā)送至控制器，控制器與氫氣電磁閥電氣連接，控制氫氣電磁閥的開或關(guān)，氫氣電磁閥與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)連接，控制對燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的氫氣供應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有CAN接口的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣報警裝置，其特征在于，所述的氫氣檢測報警器包括CPU、光電隔離器、固態(tài)繼電器、雙路CAN收發(fā)器、聲光報警器和電源；所述的電源與CPU連接，提供CPU工作電壓，光電隔離器為兩路，光電隔離器一端與CPU連接，一端與CAN收發(fā)器連接，作為CPU與CAN收發(fā)器之間的隔離裝置，CAN收發(fā)器采用兩路，與控制器連接通信，固態(tài)繼電器一端與CPU連接，受CPU控制，一端連接聲光報警器，控制聲光報警器工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有CAN接口的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣報警裝置，其特征在于，所述的氫敏元件設(shè)置三個，分別設(shè)置在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣進(jìn)口處、電堆處和易產(chǎn)生氫氣泄漏處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有CAN接口的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣報警裝置，其特征在于，所述的CPU內(nèi)帶雙CAN總線控制器、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有CAN接口的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣報警裝置，其特征在于，所述的聲光報警器具有定時報警和持續(xù)報警兩種報警方式。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種帶有CAN接口的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣報警裝置，該裝置包括燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、氫氣檢測報警器、控制器、氫氣電磁閥、氫敏元件，所述的氫氣檢測報警器帶有CAN通信接口。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型能檢測氫氣泄漏并發(fā)出報警，當(dāng)氫氣泄漏達(dá)到一定的濃度時，該裝置可以及時自動切斷氫氣源，確保安全。
文檔編號G08B21/00GK2890905SQ200520044030
公開日2007年4月18日 申請日期2005年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月3日
發(fā)明者王立明, 葛栩栩, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司