專利名稱：一種基于通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，具體地說是一種通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
眾所周知，燃料電池可以直接將燃料的電化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，由于不受卡諾循環(huán)的限制，其效率高達60°/Γ80%，遠遠高于內(nèi)燃機效率；同時燃料電池以氫氣為燃料時，產(chǎn)物只有水，清潔，對環(huán)境無污染；由于其內(nèi)部發(fā)生的是電化學(xué)反應(yīng)，無噪聲污染。燃料電池是一種發(fā)電裝置，其不同于鉛酸等蓄電池需要充電，只要供應(yīng)氫氣，就可以源源不斷的獲得電能。燃料電池電源廣泛應(yīng)用于通信、財政金融、醫(yī)院、學(xué)校、商業(yè)、工礦企業(yè)和住宅的應(yīng)急備用電源，可作為電網(wǎng)不方便的偏遠地區(qū)、島嶼、軍事與野外作業(yè)、移動車輛與船舶等特殊用途的獨立電源，在發(fā)生大型自然災(zāi)害場合有非常重要的用途。目前，通信常以鉛酸蓄電池作為主要的后備電源，蓄電池的維護成本高、使用壽命短、不能長時間連續(xù)供電、生產(chǎn)時對環(huán)境污染嚴重；由于鉛酸電池需要充電，所以當遇到自然災(zāi)害、人為破壞等突發(fā)情況市電在一段時間內(nèi)無法恢復(fù)時，或者在無電網(wǎng)的偏遠地區(qū)，鉛酸電池?zé)o法充電，那么通信設(shè)備將中斷，會嚴重影響人們的正常生活，并造成巨大的經(jīng)濟損失。為了實現(xiàn)鉛酸電池長時間連續(xù)供電，會使用體積更龐大、更笨重的電池系統(tǒng)，這樣就需要占用很大的空間，同時電池系統(tǒng)需要冷藏處理也耗費大量電能。燃料電池技術(shù)被認為是取代蓄電池作為通信備用電源的最有前景的技術(shù)。燃料電池電源系統(tǒng)可以避免鉛酸電池的缺點，其效率高、易維護；在重大災(zāi)情、險情的應(yīng)急和防災(zāi)方面有很大的優(yōu)勢；易于智能化管理，對突然停電和突發(fā)性災(zāi)害有很好的預(yù)見性；壽命可達數(shù)千小時。美國、日本、歐盟等已經(jīng)有很多使用燃料電池作為通信備用電源的案例，而國內(nèi)卻鮮有報道。主要是由于燃料電池技術(shù)不成熟、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氫氣儲存運輸不安全、初期成本投入高等問題不能很好地解 決。然而隨著各種技術(shù)的發(fā)展，燃料電池備用電源系統(tǒng)在通信行業(yè)的使用會越來越廣泛。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對燃料電池在氫氣儲存、運輸中的安全性的問題，提出一種系統(tǒng)更小型、結(jié)構(gòu)更緊湊，操作維修更簡單的燃料電池備用電源系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)，它包括供氫單元、燃料電池單元、DC/DC單元、輸出單元、巡檢單元、模擬量采集單元、主控單元和人機交互單元;
供氫單元包括重整單元、凈化單元和儲氫瓶，重整單元利用碳氫化合物水汽重整反應(yīng)或者不完全氧化反應(yīng)制備氫氣，經(jīng)過凈化單元后得到純度> 99.9%的氫氣，儲存在儲氫瓶中備用；制備的氫氣通過減壓閥減壓后送入燃料電池單元；燃料電池單元用于燃燒氫氣產(chǎn)生直流電能和熱量，直流電能輸送給DC/DC單元，熱能輸送給供氫單元；DC/DC單元將直流電調(diào)壓后連接至輸出單元；輸出單元將電能供給負載，同時為輸出單元的啟動電池、DC/DC單元、巡檢單元、模擬量采集單元、主控單元和人機交互單元供電；巡檢單元與燃料電池單元的燃料電池電堆中每片電池的正負極相連，采集所有單片電池的電壓數(shù)據(jù)并通過RS232/485通訊模塊傳輸至主控單元；模擬量采集單元與各個傳感器相連，采集溫度、電壓、電流、氣體濃度、壓力等數(shù)據(jù)，通過RS232/485通訊模塊傳輸至主控單元；人機交互單元通過RS232/485通訊模塊與主控單元進行數(shù)據(jù)通信，并通過通過IXD實時顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過聲光報警系統(tǒng)進行監(jiān)控和故障報警，通過GPRS與上位機可實現(xiàn)遠程通訊，通過USB模塊讀取系統(tǒng)的相關(guān)配置參數(shù)；主控單元通過PWM輸出模塊、I/O控制模塊和D/A輸出模塊控制系統(tǒng)各個單元中的執(zhí)行器，同時對系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信號進行分析。供氫單元包括重整單元、凈化單元和儲氫瓶，所述的重整單元包括一個密封的反應(yīng)爐、蒸發(fā)爐、進水口、進料口和氫氣出口，所述的凈化單元包括冷卻設(shè)備和過濾設(shè)備，重整單元的反應(yīng)爐用于燃料、水或者氧氣的燃燒，若燃料為液態(tài)，需要蒸發(fā)爐中進行蒸發(fā)汽化，再以氣態(tài)形式通過進料口進入反應(yīng)爐，重整單元的出氣口與凈化單元的一進氣口相連，凈化單元的另一進氣口與氧氣通道相連，重整單元的產(chǎn)物首先進入凈化單元的冷卻設(shè)備使水蒸氣冷凝下來，之后加入催化劑，將產(chǎn)物中的CO催化氧化為C02，此時產(chǎn)物中只有氫氣和C02，再使其通過過濾設(shè)備，將其中的C02去除，凈化單元的出氣口與儲氫瓶的進氣口相連，儲氫瓶的出氣口與燃料電池單元相連。所述的燃料電池單元包括減壓閥P1、減壓閥P2、安全電磁閥P3、機械閥P3’、排氫電磁閥P4、壓力傳感器S1-S3、環(huán)境溫度傳感器PTl、空氣加熱器溫度傳感器PT3、氫氣濃度的傳感器H2PPM、電堆溫度傳感器NTC1-NTC2、燃料電池電堆、壓力調(diào)配器、空氣加熱器和軸流風(fēng)扇，前述的供氫單元的儲氫瓶出氣口通過管路與壓力傳感器SI相連，而后氫氣依次通過減壓閥P1、減壓閥P2，減壓閥P2的輸出端與壓力調(diào)配器的輸入端相連，壓力調(diào)配器的輸出端與燃料電池電堆的氫氣入口相連；同時安全電磁閥P3和機械閥P3’輸入端分別與壓力調(diào)配器相連，輸出端與重整單元的氫氣入口相連。所述的燃料電池電堆的氫氣出口通過管道經(jīng)壓力傳感器S3與排氫電磁閥的輸入端相連，排氫電磁閥的輸出端與重整單元的氫氣入口相連，所述的壓力調(diào)配器上還連接有壓力傳感器S2，所述的燃料電池電堆的尾氣出口通過管道接入重整單元，所述的空氣加熱器的輸出端與燃料電池電堆的輸入端相連，燃料電池電堆的輸出端與軸流風(fēng)扇的輸入端相連,燃料電池電堆的輸出端經(jīng)電流傳感器A1、電壓傳感器Vl與DC/DC單元的輸入端相連，電流傳感器Al、電壓傳感器Vl采集相關(guān)電流、電壓數(shù)據(jù)。所述的DC/DC單元包括48VDC/DC電源模塊、電流傳感器A2、電壓傳感器V2和溫度傳感器PT2，所述的48VDC/DC電源模塊的輸入端與燃料電池電堆的輸出端相連，48VDC/DC電源模塊的輸出端經(jīng)電流傳感器A2、電壓傳感器V2與負載裝置相連，48VDC/DC電源模塊還連接有溫度傳感器PT2。所述的輸出單元包括AC/DC模塊、內(nèi)部控制電路、掉電檢測電路、啟動電池、充電器和28VDC/DC模塊，AC/DC模塊的輸入端與市電電源連接，AC/DC模塊的輸出端經(jīng)內(nèi)部控制電路與28VDC/DC模塊的輸入端相連，28VDC/DC模塊的輸出端與負載相連，當市電正常時，AC/DC模塊將220V交流電轉(zhuǎn)換為28V直流電為負載供電，同時通過充電器為內(nèi)部的啟動電池充電，并給系統(tǒng)的模擬量采集單元、主控單元、巡檢單元和人際交互單元供電；當?shù)綦姍z測電路通過電流傳感器A3和電壓傳感器V3檢測到市電掉電時，內(nèi)部的啟動電池為負載、內(nèi)部控制電路以及系統(tǒng)內(nèi)的減壓閥P1、減壓閥P2、安全電磁閥、排氫電磁閥、壓力傳感器S1-S3、環(huán)境溫度傳感器PT1、空氣加熱器溫度傳感器PT3、氫氣濃度的傳感器H2PPM、電堆溫度傳感器NTC1-NTC2、軸流風(fēng)機供電。所述的減壓閥P1、減壓閥P2、安全電磁閥、機械閥和壓力傳感器S3通過焊接與壓力調(diào)配器連接固定。所述的凈化單元的過濾設(shè)備為裝有氫氧化鈉或者石灰水的過濾器，用于濾除二氧化碳。所述的催化劑為貴金屬負載高比表面積的氧化物/碳材料或者過渡金屬負載高比表面積的氧化物/碳材料催化劑。所述的貴金屬如鉬、釕、金等；所述的過渡金屬如銅、鐵、鈷等；所述的高比表面積的氧化物/碳材料如二氧化硅、多孔碳、氧化鈰等，氧化物/碳材料的比表面積> 40m2/g。本發(fā)明的有益效果1.本發(fā)明充分利用了燃料電池電堆的廢熱，提高了系統(tǒng)效率。2.本發(fā)明將未反應(yīng)的氫氣再次利用,避免了氫氣排放入大氣或工作環(huán)境存在的隱患。
3.本發(fā)明需要的熱量一部分通過燃料電池單元尾氣來提供，另一部分通過甲醇、乙醇等燃料的燃燒獲得，避免的氫氣運輸和儲存中的不安全因素，同時大幅降低了運輸和儲存的費用。


圖1是本發(fā)明一種通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的壓力調(diào)配器示意圖。圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)供電示意圖。圖4是本發(fā)明的內(nèi)部控制電路原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1-4所示。一種基于通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)，它包括供氫單元、燃料電池單元、DC/DC單元、輸出單元、巡檢單元、模擬量采集單元、主控單元和人機交互單元；
供氫單元包括重整單元、凈化單元和儲氫瓶，重整單元利用碳氫化合物水汽重整反應(yīng)或者不完全氧化反應(yīng)制備氫氣，經(jīng)過凈化單元后得到純度>99. 9%的氫氣，儲存在儲氫瓶中備用；制備的氫氣通過減壓閥減壓后送入燃料電池單元；燃料電池單元用于燃燒氫氣產(chǎn)生直流電能和熱量，直流電能輸送給DC/DC單元，熱能輸送給供氫單元；DC/DC單元將直流電調(diào)壓后連接至輸出單元；輸出單元將電能供給負載，同時為輸出單元的啟動電池、DC/DC單元、巡檢單元、模擬量采集單元、主控單元和人機交互單元供電；巡檢單元與燃料電池單元的燃料電池電堆中每片電池的正負極相連，采集所有單片電池的電壓數(shù)據(jù)并通過RS232/485通訊模塊傳輸至主控單元；模擬量采集單元與各個傳感器相連，采集溫度、電壓、電流、氣體濃度、壓力等數(shù)據(jù)，通過RS232/485通訊模塊傳輸至主控單元；人機交互單元通過RS232/485通訊模塊與主控單元進行數(shù)據(jù)通信，并通過IXD實時顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過聲光報警系統(tǒng)進行監(jiān)控和故障報警，通過GPRS與上位機可實現(xiàn)遠程通訊，通過USB模塊讀取系統(tǒng)的相關(guān)配置參數(shù)；主控單元通過PWM輸出模塊、I/O控制模塊和D/A輸出模塊控制系統(tǒng)各個單元中的執(zhí)行器，同時對系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信號進行分析。所述的供氫單元包括重整單元、凈化單元和儲氫瓶，所述的重整單元包括一個密封的反應(yīng)爐、蒸發(fā)爐、進水口、進料口和氫氣出口，所述的凈化單元包括冷卻設(shè)備和過濾設(shè)備，重整單元的反應(yīng)爐用于燃料、水或者氧氣的燃燒，若燃料為液態(tài)，需要先在蒸發(fā)爐中進行蒸發(fā)汽化，再以氣態(tài)形式通過進料口進入反應(yīng)爐，重整單元的出氣口與凈化單元的一進氣口相連，凈化單元的另一進氣口與氧氣通道相連，重整單元的產(chǎn)物首先進入凈化單元的冷卻設(shè)備使水蒸氣冷凝下來，之后加入催化劑，將產(chǎn)物中的CO催化氧化為CO2，此時產(chǎn)物中只有氫氣和CO2，再使其通過過濾設(shè)備，將其中的CO2去除，凈化單元的出氣口與儲氫瓶的進氣口相連，儲氫瓶的出氣口與燃料電池單元相連。所述的燃料電池單元包括減壓閥P1、減壓閥P2、安全電磁閥P3、機械閥P3’、排氫電磁閥P4、壓力傳感器S1-S3、環(huán)境溫度傳感器PTl、空氣加熱器溫度傳感器PT3、氫氣濃度的傳感器H2PPM、電堆溫度傳感器NTC1-NTC2、燃料電池電堆、壓力調(diào)配器、空氣加熱器和軸流風(fēng)扇，前述的供氫單元的儲氫瓶出氣口通過管路與壓力傳感器SI相連，而后氫氣依次通過減壓閥P1、減壓閥P2，減壓閥P2的輸出端與壓力調(diào)配器的輸入端相連，壓力調(diào)配器的輸出端與燃料電池電堆的氫氣入口相連；同時安全電磁閥P3和機械閥P3’輸入端分別與壓力調(diào)配器相連，輸出端與重整單元的氫氣入口相連。所述的燃料電池電堆的氫氣出口通過管道經(jīng)壓力傳感器S3與排氫電磁閥的輸入端相連，排氫電磁閥的輸出端與重整單元的氫氣入口相連，所述的壓力調(diào)配器上還連接有壓力傳感器S2，所述的燃料電池電堆的尾氣出口通過管道接入重整單元，所述的空氣加熱器的輸出端與燃料電池電堆的輸入端相連，燃料電池電堆的輸出端與軸流風(fēng)扇的輸入端相連，燃料電池電堆的輸出端經(jīng)電流傳感器Al、電壓傳感器Vl與DC/DC單元的輸入端相連，電流傳感器Al、電壓傳感器Vl采集相關(guān)電流、電壓數(shù)據(jù)。所述的DC/DC單元包括48VDC/DC電源模塊、電流傳感器A2、電壓傳感器V2和溫度傳感器PT2，所述的48VDC/DC電源模塊的輸入端與燃料電池電堆的輸出端相連，48VDC/DC電源模塊的輸出端經(jīng)電流傳感器A2、電壓傳感器V2與負載裝置相連，48VDC/DC電源模塊還連接有溫度傳感器PT2。所述的輸出單元包括AC/DC模塊、內(nèi)部控制電路、掉電檢測電路、啟動電池、充電器和28VDC/DC模塊，AC/DC模塊的輸入端與市電電源連接，AC/DC模塊的輸出端經(jīng)內(nèi)部控制電路與28VDC/DC模塊的輸入端相連，28VDC/DC模塊的輸出端與負載相連，當市電正常時，AC/DC模塊將220V交流電轉(zhuǎn)換為28V直流電為負載供電，同時通過充電器為內(nèi)部的啟動電池充電，并給系統(tǒng)的模擬量采集單元、主控單元、巡檢單元和人際交互單元供電；當?shù)綦姍z測電路通過電流傳感器A3和電壓傳感器V3檢測到市電掉電時，內(nèi)部的啟動電池為負載、內(nèi)部控制電路以及系統(tǒng)內(nèi)的減壓閥P1、減壓閥P2、安全電磁閥、排氫電磁閥、壓力傳感器S1-S3、環(huán)境溫度傳感器PTl、空氣加熱器溫度傳感器PT3、氫氣濃度的傳感器H2PPM、電堆溫度傳感器NTC1-NTC2、軸流風(fēng)機供電。所述的巡檢單元包括信號調(diào)理電路1、微控制器MCU1、A/D采樣模塊I和RS232通訊模塊，所述的信號調(diào)理電路I的輸入端通過數(shù)據(jù)線與燃料電池電堆的每片電池的正負極相連，信號調(diào)理電路I的信號輸出端與A/D采樣模塊I相連，所述的微控制器MCUl通過RS232通訊模塊與主控單元相連。所述的模擬量采集單元包括信號調(diào)理電路2、微控制器MCU3、A/D采樣模塊2和RS232通訊模塊，所述的信號調(diào)理電路2的輸入端分別與A3、V3、A4、電流傳感器A1-A4、電壓傳感器V1-V3、壓力傳感器S1-S3、溫度傳感器PT1、PT3、電堆溫度傳感器NTC1-NTC2和環(huán)境氫氣濃度傳感器H2PPM的對應(yīng)信號輸出端相連,信號調(diào)理電路2的信號輸出端與A/D米樣模塊2相連，所述的微控制器MCU3通過RS232通訊模塊與主控單元相連。所述的人機交互單元包括IXD顯示屏、微控制器MCU4、聲光告警裝置、開關(guān)按鈕和通信模塊，所述的通信模塊包括RS232通訊模塊、USB通信模塊和GPRS通信模塊，所述的微控制器MCU4通過通訊模塊中的RS232通訊模塊與主控單元相連，所述的IXD顯示屏用于顯示供氫單元、燃料電池單元、DC/DC單元、輸出單元、巡檢單元和模擬量采集單元相應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)參數(shù)，所述的聲光告警裝置用于在系統(tǒng)不安全時發(fā)出告警信號，所述的開關(guān)按鈕用于打開或關(guān)閉系統(tǒng)。所述的主控單元包括驅(qū)動電路、微控制器MCU2、I/O輸出模塊、D/A輸出模塊、PWM輸出模塊和RS232通訊模塊，所述的微控制器MCU2的輸入端作為主控單元的輸入端通過RS232通訊模塊分別與巡檢單元、人機交互單元和模擬量采集單元相連，PWM輸出模塊與軸流風(fēng)扇相連，控制軸流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、D/A輸出模塊與儲氫瓶出口處的第一減壓閥和第二減壓閥相連，實現(xiàn)輸出氫氣的壓強可調(diào)，I/O輸出模塊經(jīng)驅(qū)動電路與輸出單元的掉電檢測電路、燃料電池單元的空氣加熱器、繼電器以及安全電磁閥、排氫電磁閥等相連。所述的減壓閥P1、減壓閥P2、安全電磁閥、機械閥和壓力傳感器S3通過焊接與壓力調(diào)配器連接固定。所述的凈化單元的過濾設(shè)備為裝有氫氧化鈉或者石灰水的過濾器，用于濾除二氧化碳。所述的催化劑為貴金屬負載高比表面積的氧化物/碳材料或者過渡金屬負載高比表面積的氧化物/碳材料催化劑。所述的貴金屬如鉬、釕、金等；所述的過渡金屬如銅、鐵、鈷等；所述的高比表面積的氧化物/碳材料如二氧化硅、多孔碳、氧化鈰等，氧化物/碳材料的比表面積> 40m2/g。本發(fā)明的燃料電池電源系統(tǒng)主要由供氫單元、燃料電池單元、DC/DC單元、輸出單元、巡檢單元、模擬量采集單元、主控單元和人機交互單元組成(如圖1所示)。供氫單元包括制氫和儲氫部分，利用甲醇、乙醇、甲烷等碳氫化合物與水或者空氣通過進入重整單元發(fā)生水汽重整反應(yīng)或者部分氧化重整反應(yīng)生成H2、C0、C02、H20等混合氣體，產(chǎn)物中C0、C02、水等雜質(zhì)首先進入凈化單元的冷卻設(shè)備使水蒸氣冷凝下來，之后加入催化劑，將產(chǎn)物中的CO催化氧化為CO2，此時產(chǎn)物中只有氫氣和CO2，再使其通過過濾設(shè)備，將其中的CO2去除得到高純氫氣，生成的氫氣儲存于儲氫瓶中備用儲存在儲氫瓶中待用。重整反應(yīng)需要的熱量通過燃料或者未反應(yīng)的氫氣燃燒放熱提供，也可以利用電堆釋放的廢熱；燃料電池單元將氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為直流電能，輸出給DC/DC模塊；DC/DC單元將燃料電池的直流電調(diào)壓后為負載供電；輸出單兀在市電掉電時為負載、啟動電池和內(nèi)部控制電路供電；巡檢單兀米集每個單電池電壓，由微控制器MCUl通過RS232/485傳輸為主控單元；模擬量采集單元采集系統(tǒng)中各部分溫度、壓強、電壓、電流、氣體濃度等信號，通過RS232/485模塊輸送給主控單元；主控單元分析處理巡檢單元、模擬量采集單元傳輸?shù)男盘?，調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)各單元的工作狀態(tài)，并通過人機交互單元實現(xiàn)人機通訊；人機交互單元顯示系統(tǒng)的各個工作參數(shù)和狀態(tài)，并實現(xiàn)人機近程、遠程通訊。燃料電池反應(yīng)時，有4(Γ50%的能量以熱能形式排放，排放的高溫尾氣為重整單元提供一部分熱量，另一部分通過甲醇、乙醇等燃料完全燃燒反應(yīng)得到；同時燃料電池單元中的氫氣一般都不能完全反應(yīng)，安全電磁閥、機械閥、排氫電磁閥排放的氫氣直接接入重整單元，未反應(yīng)的氫氣燃燒放熱，為重整單元供熱。此燃料電池系統(tǒng)中的供氫單元避免了氫氣輸運、儲存帶來的安全隱患和昂貴費用，降低了系統(tǒng)成本；通過利用燃料電池的廢熱和未反應(yīng)的氫氣為重整單元供熱，提高了系統(tǒng)能量利用效率，同時消除了氫氣排放入大氣或者工作環(huán)境帶來的安全問題。燃料電池單元由燃料電池電堆、用于測量電堆溫度的溫度傳感器NTCfNTC2、氫氣兩級減壓閥、安全電磁閥、機械閥、壓力調(diào)配器、排氫電磁閥、壓力傳感器S1-S3、監(jiān)測電推工作環(huán)境溫度的溫度傳感器PT1、監(jiān)測環(huán)境氫氣濃度的傳感器H2PPM、監(jiān)測電堆的電壓傳感器Vl和電流傳感器Al、空氣過濾裝置、空氣加熱裝置、軸流風(fēng)扇組成。供氫單元出來的氫氣經(jīng)過兩級減壓后達到電堆允許的壓強范圍，通過安全電磁閥來自動控制氫氣的供斷，系統(tǒng)故障安全電磁閥失控時手動開啟機械閥可以泄氫保護電堆。二級減壓閥、安全電磁閥、機械閥、壓力傳感器S3等部件通過與壓力調(diào)配器焊接實現(xiàn)相通(如圖2所示)，壓力調(diào)配器出口接電堆氫氣入口，減少使用轉(zhuǎn)接頭，也減少了氫氣泄露點，從而減少了系統(tǒng)的維修量。同時壓力調(diào)配器的管徑一般比管道的粗，可增大輸送管路截面積，降低氫氣流動速度，增大壓力，形成氫氣緩沖池，使輸送至電堆模塊的氫氣壓力平穩(wěn)，并修正氫氣在管路輸送過程中的壓力損失。根據(jù)需要，壓力調(diào)配器可以設(shè)計成不同的形狀，如圓柱體、球體等，使氫氣能均勻地進入電堆。排氫電磁閥在氫氣壓力大于電堆的要求值時開啟，保護電推。安全電磁閥、機械閥、排氫電磁閥分別與重整單元相連，將排放的氫氣輸入重整單元再次利用。通過壓力傳感器S1、S2的數(shù)值，由主控單元D/A輸出模塊調(diào)節(jié)壓強，通過壓力傳感器S2、S3的數(shù)值由主控單元I/O輸出模塊來控制進氫、排氫電磁閥的通斷?？諝饨?jīng)過過濾裝置除去粉塵等顆粒污染物，通過加熱裝置將空氣加熱到適宜溫度，其溫度通過主控單元I/O輸出模塊根據(jù)溫度傳感器PT3的數(shù)值來控制，加熱后的空氣由直流軸流風(fēng)扇抽入電堆參加反應(yīng)，在燃料電池啟動時，主控單元的PWM輸出模塊控制軸流風(fēng)扇的開啟。為了在緊急情況下切斷負載，保護燃料電池電堆，在燃料電池和DC/DC輸出之間聯(lián)接繼電器，其在正常工作時處于常閉狀態(tài)，遇到緊急狀況時，可通過主控單元I/O輸出模塊立即切斷，從而保護電堆。DC/DC單元包括48VDC/DC電源模塊、監(jiān)測其輸出電壓、電流的電壓傳感器V2和電流傳感器A2、監(jiān)測48VDC/DC模塊工作溫度的溫度傳感器PT2。燃料電池的輸出特性比較軟，其電壓輸出隨著負載的變化而變化，DC/DC模塊可以對電堆進行降壓穩(wěn)壓，輸出合適的電壓為負載供電。其輸出電壓、電流被模擬量采集單元采集后反饋給主控單元。該單元使用高度集成化的DC/DC模塊，結(jié)構(gòu)簡單，易于集成。通過合理布局，可以利用燃料電池單元中的軸流風(fēng)扇對DC/DC模塊進行冷卻，避免使用專用的冷卻裝置，減少了冷卻功耗，進一步提聞了系統(tǒng)的效率。 輸出單元主要為負載、市電掉電檢測電路和內(nèi)部控制電路供電，其供電電路圖如圖3所示，電池開關(guān)和市電開關(guān)處于常閉狀態(tài)，AC220/DC28V是具有充電功能的電源模塊；
當市電正常時，市電開關(guān)、電池開關(guān)閉合，自動控制開關(guān)打開，市電經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)化器，將220V交流電轉(zhuǎn)化為28V直流電，為啟動電池充電，并給系統(tǒng)模擬量采集單元、主控單元、巡檢單元和人機交互單元的控制電路供電，此時控制電路監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)；當市電掉電時，內(nèi)部控制電路接到掉電信號，閉合自動控制開關(guān)，啟動電池開始放電，為負載、系統(tǒng)內(nèi)電磁閥、傳感器、軸流風(fēng)扇以及內(nèi)部控制電路供電，燃料電池快速啟動；當燃料電池正常啟動后，自動控制開關(guān)打開，燃料電池同過DC/DC給負載、系統(tǒng)內(nèi)電磁閥、傳感器、軸流風(fēng)扇以及內(nèi)部控制電路供電，同時通過充電器給啟動電池充電。燃料電池啟動時間為幾到十幾秒，系統(tǒng)可實現(xiàn)智能監(jiān)控，為負載無縫供電。 由于該燃料電池系統(tǒng)長期不工作會導(dǎo)致其性能衰減，所以當檢測到累計不工作時間達到設(shè)置數(shù)值時，通過斷開市電開關(guān)強制啟動系統(tǒng)或者由主控單元發(fā)送自動啟動信號，這樣可以保持系統(tǒng)的高性能和長壽命工作。電池開關(guān)對啟動電池起到保護作用，當市電正常而AC/DC模塊工作異常時，啟動電池會持續(xù)給內(nèi)部控制電路供電，為了防止啟動電池過放，此時可以根據(jù)檢測到的啟動電池電流信號，人為打開電池開關(guān)，達到保護啟動電池的目的。 本發(fā)明中燃料電池電源系統(tǒng)的內(nèi)部控制電路如圖4所示，市電經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)化、啟動電池、燃料電池輸出經(jīng)過兩個DC/DC轉(zhuǎn)化器分別輸出28V電壓，市電正常時，由AC/DC為控制電路供電；當市電掉電、燃料電池未正常工作前，有啟動電池為內(nèi)部控制電路供電；市電掉電、燃料電池正常工作時，由燃料電池為控制電路供電。28V直接為人機交互單元LCD顯示、聲光報警裝置供電；28V的輸出電壓經(jīng)過DC/DC轉(zhuǎn)化為5V，為模擬量采集單元供電；5V電壓經(jīng)過LDO轉(zhuǎn)化為3. 3V低壓后為主控單元、GPRS、USB等部件供電。本發(fā)明中巡檢單元、模擬量采集單元、人機交互單元分別與主控單元通過RS232/485實現(xiàn)通訊，巡檢單元、模擬量采集單元、人機交互單元三者之間無通訊。本發(fā)明中燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，模塊功能明確，且后期維修容易。巡檢單元包含微控制器MCU1、信號調(diào)理電路1、A/D采樣模塊I ;信號調(diào)理電路I輸入端與燃料電池電堆的每節(jié)電池的正負極相連，其輸出端連結(jié)至A/D采樣模塊I ;MCU1將采集的各個電壓值通過RS232/485線傳送給主控單元，供其調(diào)整控制策略，主控單元又將其發(fā)送至人機交互單元顯示，可以在線監(jiān)測單電池的電壓，以便發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)試和維修。模擬量采集單元由信號調(diào)理電路2、A/D采樣模塊2組成、微控制器MCU3組成。信號調(diào)理電路2將電推的溫度NTCfNTC2信號、環(huán)境溫度PTl信號、DC/DC模塊溫度PT2信號、空氣加熱器溫度PT3信號、電堆輸出電壓電流信號VI，Al、DC/DC模塊輸出電壓、電流信號V2，A2、市電掉電電路電壓電流信號V3, A3、啟動電池電流信號A4、壓力傳感器信號S1-S3、環(huán)境氫氣濃度H2PPM信號輸送給A/D采樣模塊2，MCU3通過RS232/485模塊與主控單元進行數(shù)據(jù)傳輸。人機交互單元包括IXD顯示屏、聲光告警裝置、開關(guān)按鈕、USB、GPRS與上位機部分，通過RS232/485實現(xiàn)與主控單元的通信。IXD顯示供氫單元、燃料電池單元、DC/DC單元、輸出單元、巡檢單元、模擬量采集單元等各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)參數(shù)，更簡便地實現(xiàn)遠程通訊和對系統(tǒng)工作情況的了解。聲光告警裝置顯示系統(tǒng)的工作裝態(tài)，若系統(tǒng)處于不安全狀態(tài)，則聲光告警裝置系統(tǒng)開始發(fā)出告警信號，以便通知操作人，使其能盡快發(fā)現(xiàn)并排除故障。開關(guān)信號可實現(xiàn)遠程啟動或關(guān)閉系統(tǒng)，同時是系統(tǒng)發(fā)生故障需要緊急啟動或者關(guān)閉時按鍵。USB模塊可以使主設(shè)備或者從設(shè)備外接U盤讀取配置系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，USB模塊可以使控制單元作為主設(shè)備，外接U盤讀取或配置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)；也可以作為從設(shè)備，連接至上位機，從上位機直接配置或讀取控制單元的相關(guān)參數(shù)。GPRS可實現(xiàn)遠程調(diào)控。上位機部分方便操作人員實現(xiàn)自動或者手動的調(diào)節(jié)和控制。主控單元包括PWM輸出模塊、D/A輸出模塊、I/O輸出模塊和驅(qū)動電路、微控制器MCU2。主控單元根據(jù)模擬量采集單元給予的市電掉電信號，PWM輸出模塊控制軸流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速；根據(jù)需要D/A輸出模塊可以控制儲氫瓶出口處兩級電動調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)輸出氫氣的壓強可調(diào)；為了系統(tǒng)的簡單化，可以去掉D/A輸出模塊和電動調(diào)節(jié)閥部分，以機械閥替代。燃料電池工作時，I/o輸出模塊控制安全電磁閥打開,燃料電池關(guān)閉或者出現(xiàn)緊急情況時，關(guān)閉安全電磁閥，切斷氣源。在系統(tǒng)運行中，當傳感器P4檢測到排氫口氫氣壓力達到一定數(shù)值時，I/o輸出模塊自動打開排氫電磁閥,保證電堆的安全和高性能運行，同時其控制空氣加熱裝置在燃料電池啟動時其開始工作。為了保護電堆，在燃料電池電堆和DC/DC輸出之間連接繼電器，通過I/O輸出在需要時控制其通斷。通過RS232/485模塊實現(xiàn)與巡檢單元和人機交互單元的通訊。
權(quán)利要求
1.一種基于通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)，其特征是:它包括供氫單元、燃料電池單元、DC/DC單元、輸出單元、巡檢單元、模擬量采集單元、主控單元和人機交互單元； 供氫單元包括重整單元、凈化單元和儲氫瓶，重整單元利用碳氫化合物水汽重整反應(yīng)或者不完全氧化反應(yīng)制備氫氣，經(jīng)過凈化單元后得到純度> 99.9 %的氫氣，儲存在儲氫瓶中備用；制備的氫氣通過減壓閥減壓后送入燃料電池單元；燃料電池單元用于燃燒氫氣產(chǎn)生直流電能和熱量，直流電能輸送給DC/DC單元，熱能輸送給供氫單元；DC/DC單元將直流電調(diào)壓后連接至輸出單元；輸出單元將電能供給負載，同時為輸出單元的啟動電池、DC/DC單元、巡檢單元、模擬量采集單元、主控單元和人機交互單元供電；巡檢單元與燃料電池單元的燃料電池電堆中每片電池的正負極相連，采集所有單片電池的電壓數(shù)據(jù)并通過RS232/485通訊模塊傳輸至主控單元；模擬量采集單元與各個傳感器相連，采集溫度、電壓、電流、氣體濃度、壓力等數(shù)據(jù)，通過RS232/485通訊模塊傳輸至主控單元；人機交互單元通過RS232/485通訊模塊與主控單元進行數(shù)據(jù)通信，并通過IXD實時顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過聲光報警系統(tǒng)進行監(jiān)控和故障報警，通過GPRS與上位機可實現(xiàn)遠程通訊，通過USB模塊讀取系統(tǒng)的相關(guān)配置參數(shù)；主控單元通過PWM輸出模塊、I/O控制模塊和D/A輸出模塊控制系統(tǒng)各個單元中的執(zhí)行器，同時對系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信號進行分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)，其特征是:所述的供氫單元包括重整單元、凈化單元和儲氫瓶，所述的重整單元包括一個密封的反應(yīng)爐、蒸發(fā)爐、進水口、進料口和氫氣出口，所述的凈化單元包括冷卻設(shè)備和過濾設(shè)備，重整單元的反應(yīng)爐用于燃料、水或者氧氣的燃燒，若燃料為液態(tài)，需要先在蒸發(fā)爐中進行蒸發(fā)汽化，再以氣態(tài)形式通過進料口進入反應(yīng)爐，重整單元的出氣口與凈化單元的一進氣口相連，凈化單元的另一進氣口與氧氣通道相連，重整單元的產(chǎn)物首先進入凈化單元的冷卻設(shè)備使水蒸氣冷凝下來，之后加入催化劑，將產(chǎn)物中的CO催化氧化為CO2，此時產(chǎn)物中只有氫氣和0)2，再使其通過過濾設(shè)備，將其中的CO2去除，凈化單元的出氣口與儲氫瓶的進氣口相連，儲氫瓶的出氣口與燃料電池單元相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)，其特征是:所述的燃料電池單元包括減壓閥P1、減壓閥P2、安全電磁閥P3、機械閥P3’、排氫電磁閥P4、壓力傳感器S1-S3、環(huán)境溫度傳感器PTl、空氣加熱器溫度傳感器PT3、氫氣濃度的傳感器H2PPM、電堆溫度傳感器NTC1-NTC2、燃料電池電堆、壓力調(diào)配器、空氣加熱器和軸流風(fēng)扇，前述的供氫單元的儲氫瓶出氣口通過管路與壓力傳感器SI相連，而后氫氣依次通過減壓閥P1、減壓閥P2，減壓閥P2的輸出端與壓力調(diào)配器的輸入端相連，壓力調(diào)配器的輸出端與燃料電池電堆的氫氣入口相連；同時安全電磁閥P3和機械閥P3’輸入端分別與壓力調(diào)配器相連，輸出端與重整單元的氫氣入口相連，所述的燃料電池電堆的氫氣出口通過管道經(jīng)壓力傳感器S3與排氫電磁閥的輸入端相連，排氫電磁閥的輸出端與重整單兀的氫氣入口相連，所述的壓力調(diào)配器上還連接有壓力傳感器S2，所述的燃料電池電堆的尾氣出口通過管道接入重整單元，所述的空氣加熱器的輸出端與燃料電池電堆的輸入端相連，燃料電池電堆的輸出端與軸流風(fēng)扇的輸入端相連，燃料電池電堆的輸出端經(jīng)電流傳感器Al、電壓傳感器Vl與DC/DC單元的輸入端相連，電流傳感器Al、電壓傳感器Vl采集相關(guān)電流、電壓數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)，其特征是:所述的DC/DC單元包括48VDC/DC電 源模塊、電流傳感器A2、電壓傳感器V2和溫度傳感器PT2，所述的48VDC/DC電源模塊的輸入端與燃料電池電堆的輸出端相連，48VDC/DC電源模塊的輸出端經(jīng)電流傳感器A2、電壓傳感器V2與負載裝置相連，48VDC/DC電源模塊還連接有溫度傳感器 PT2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)，其特征是:所述的輸出單元包括AC/DC模塊、內(nèi)部控制電路、掉電檢測電路、啟動電池、充電器和28VDC/DC模塊，AC/DC模塊的輸入端與市電電源連接，AC/DC模塊的輸出端經(jīng)內(nèi)部控制電路與28VDC/DC模塊的輸入端相連，28VDC/DC模塊的輸出端與負載相連，當市電正常時，AC/DC模塊將220V交流電轉(zhuǎn)換為28V直流電為負載供電，同時通過充電器為內(nèi)部的啟動電池充電，并給系統(tǒng)的模擬量采集單元、主控單元、巡檢單元和人際交互單元供電；當?shù)綦姍z測電路通過電流傳感器A3和電壓傳感器V3檢測到市電掉電時，內(nèi)部的啟動電池為負載、內(nèi)部控制電路以及系統(tǒng)內(nèi)的減壓閥PU減壓閥P2、安全電磁閥、排氫電磁閥、壓力傳感器S1-S3、環(huán)境溫度傳感器PTl、空氣加熱器溫度傳感器PT3、氫氣濃度的傳感器H2PPM、電堆溫度傳感器NTC1-NTC2、軸流風(fēng)機供電。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)，其特征是:所述的減壓閥PU減壓閥P2、安全電磁閥、機械閥和壓力傳感器S3通過焊接與壓力調(diào)配器連接固定。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的供氫單元，其特征在于:所述的凈化單元的過濾設(shè)備為裝有氫氧化鈉或者石灰水的過濾器，用于濾除二氧化碳。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的供氫單元，其特征在于:所述的催化劑為貴金屬負載高比表面積的氧化物/碳材料或者過渡金屬負載高比表面積的氧化物/碳材料催化劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的催化劑，其特征在于:所述的貴金屬包括鉬、釕、金；所述的過渡金屬包括銅、鐵、鈷 ；所述的高比表面積的氧化物/碳材料包括比表面積> 40m2/g 二氧化硅、多孔碳、氧化鈰。
全文摘要
一種通信用燃料電池備用電源系統(tǒng)，包括供氫單元、燃料電池單元、DC/DC單元、輸出單元、巡檢單元、模擬量采集單元、主控單元和人機交互單元。其中供氫單元實現(xiàn)用碳氫化合物制備高純度氫氣；燃料電池單元將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為直流電能；DC/DC單元對燃料電池的輸出電壓調(diào)節(jié)后為輸出單元供電；輸出單元在市電掉電后為通訊基站供電；巡檢單元用于采集單電池電壓；模擬量采集單元采集系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)信號并傳輸給主控單元；主控單元分析數(shù)據(jù)并向各單元發(fā)送控制信號；人機交互單元完成近程、遠程通訊以及監(jiān)控報警等功能。該系統(tǒng)高效、清潔、安全可靠、智能化程度高，作為通信備用電源，可實現(xiàn)與市電供電的無縫鏈接；同時該系統(tǒng)不需要充電，可長時間持續(xù)工作。
文檔編號H01M8/06GK103078362SQ20121053819
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者王利生, 佘沛亮, 魏廷權(quán), 李超, 張磊, 仙存妮, 楊玉萍, 刁立鵬, 王晴 申請人:北京慧峰聚能科技有限公司