专利名称：质子交换膜燃料电池测试平台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种燃料电池技术领域的测试平台，尤其涉及一种针对家用的 1-10KW级质子交换膜燃料电池测试平台。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(即PEMFC)，以全氟磺酸型固体聚合物作为电解质、Pt/C为催 化剂，使用氢气或重整氢作为燃料，空气或氧气为氧化剂，将化学能转化为电能，是一 种高效清洁的新型能源。氢气的流量，温度及湿度，空气的流量，温度及湿度，以及燃 料电池反应堆本身的温度及其它物理参数对于燃料电池的正常运行和效率有着重要的 影响。因此，如何根据燃料电池反应过程的要求以及负载的变化，调节氢气，空气的输 入，控制燃料电池堆的温度，并且在较宽的范围内测试空气，氢气以及燃料电池堆的一 些物理参数对于燃料电池的影响对于燃料电池的开发有着重要意义。
经对现有技术的公开文献检索发现，针对家用的质子交换膜燃料电池，莫志军等在 《计算机测量与控制》2005年13巻3期287-290页上发表的"质子交换膜燃料电池实时监 测系统软件实现"，该文提出的采用PLC和VC来监测燃料电池的方法，具体方法为下位机 采用PLC控制继电器和鼓风机，上位机采用VC来编制软件。其不足在于灵活性差，即只 能使燃料电池堆运行起来，可调节的参数少；可监测的量少，该文中仅检测水温和压力， 不能全面反映燃料电池堆的运行状况及各参数与燃料电池堆性能之间的关系；成本较 高，PLC比本实用新型中使用的模拟量采集卡昂贵得多。 发明内容
本实用新型的目的，在于针对现有技术的不足和缺陷，提出一种l-10KW质子交换 膜燃料电池测试平台，使其可以测试燃料电池堆的性能及相关参数与燃料电池堆性能之 间的关系，同时测试燃料电池堆在不同的交直流负载情况下的运行状况。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。
质子交换膜燃料电池测试平台，包括燃料电池辅助系统、监控系统和人机交互部分。 所述的燃料电池辅助系统，用于辅助燃料电池组产生电能及取出燃料电池组产生的电
能；所述的监控系统，依据设定的测试条件及燃料电池的工艺要求，控制燃料电池组及 燃料电池辅助系统，产生电能；所述的人机交互部分，用于设定测试条件及显示监控系 统送来的燃料电池堆及辅助系统的状态。
燃料电池辅助系统，包括塑料管，空气过滤器，高压鼓风机，空气加热器，空气增 湿器，钢管，氢气稳压阀，电磁阀，氢气增湿器，电堆尾气出口电磁阀，水箱，水泵， 加热器，换热器。空气过滤器通过塑料管与高压鼓风机相连，高压鼓风机与空气增湿器 相连，空气增湿器与空气加热器相连，空气增湿器通过塑料管与燃料电池堆相连，以上 构成空气路。氢气稳压阀通过钢管与储氢瓶相连，氢气稳压阀与电磁阀相连，电磁阀与 氢气增湿器相连，氢气增湿器通过塑料管与燃料电池堆相连，电堆尾气出口电磁阀通过 塑料管与燃料电池堆相连，以上构成氢气路。水箱通过塑料管与水泵相连，水泵与加热 器相连，加热器通过塑料管与燃料电池堆相连，燃料电池堆通过塑料管与换热器，换热 器与水箱相连，以上构成水冷却回路。
监控系统，包括蓄电池，继电器，DC/DC变压器，DC/AC逆变器，空气压力传感 器，空气湿度传感器，空气温度传感器，氢气压力传感器，氢气湿度传感器，氢气温度 传感器，变频器，入口水温度传感器，出口水温度传感器，冷却风扇，直流输出电压传 感器，直流输出电流传感器，交流输出电压传感器，交流输出电流传感器，模拟量采集 模块，开关量输出模块，PWM驱动器，PWM输出卡，工控机。蓄电池通过继电器与 DC/DC变压器，DC/AC逆变器相连，蓄电池给DC/DC变压器供电，DC/DC变压器产 生310V的电压输出变频器，变频器与上述燃料电池辅助系统中的高压鼓风机相连，根 据工控机发出的控制信号控制鼓风机转速，从而调节上述燃料电池辅助系统中空气路中 空气压力。空气压力传感器安装在上述燃料电池辅助系统空气路中的高压鼓风机出口 处，空气湿度传感器安装在空气路中增湿器的出口处，空气温度传感器安装在空气路中 加热器的出口处。氢气压力传感器安装在上述燃料电池辅助系统氢气路中的稳压阀的入 口处，氢气湿度传感器安装在氢气路中增湿器的出口处，氢气温度传感器安装在氢气路 中加热器的出口处。入口水温度传感器安装在上述燃料电池辅助系统水冷却回路中的燃 料电池堆入口处，出口水温度传感器安装在水冷却回路中的燃料电池堆出口处，直流输 出电压传感器和直流输出电流传感器安装在电堆的输出电极上。交流输出电压传感器和
交流输出电流传感器安装在DC/AC逆变器的交流输出电极上。上述所有的传感器与模 拟量采集模块相连，模拟量采集模块通过485总线与工控机相连。工控机通过485总线 与开关量输出模块相连，开关量输出模块将控制信号送给与蓄电池，空气加热器，氢气 加热器，冷却风扇相连的继电器，以及氢气入口电磁阀，电堆尾气出口电磁阀。工控机 通过PWM输出卡产生PWM信号送给PWM驱动器，PWM驱动器与空气增湿器，氢 气增湿器相连，控制增湿器的转速，从而控制空气和氢气的湿度。燃料电池堆发出的直 流电与DC/DC变压器，DC/AC逆变器相连，DC/DC变压器与蓄电池相连给蓄电池充电， DC/AC逆变器与负载相连，给负载供电。
人机交互部分，包括运行在工控机上的软件，该软件用组态软件开发，该软件从与 上述监控系统中的485总线相连的串口上读取数据，得到系统的状态信息，进行滤波处 理，存储到数据库，并以文字和曲线图的形式表现出来，同时允许用户设定上述监控系 统中各个继电器的开关，变频器的频率以及PWM的占空比。该软件还允许用户设定燃 料电池各个物理参数的范围，如果测量值不在该范围内则进行报警。
本实用新型将影响燃料电池性能的各个物理量通过485总线传送到工控机，工控机 根据这些物理量的值以及用户的指令控制继电器，逆变器以及增湿器，从而使燃料电池 堆启动起来，并且调节空气的压力，温度和湿度，氢气的压力，温度和湿度以及燃料电 池堆的温度，监测上述各个物理参数对燃料电池堆的输出电压，输出电流的影响。同时 将上述所有的数据保存在数据库中供后续的数据挖掘使用。
本实用新型利用485总线的易扩展性和抗干扰性，全面地监测燃料电池堆及辅助系 统的状态，具有测试量全面，测试数据精确，扩展性好，人机交互方便，成本低等优点。
图l是l-10kW级质子交换膜燃料电池堆及辅助系统结构的示意图； 图2是燃料电池测试平台监控系统结构的示意图。
图中，l空气过滤器，2高压鼓风机，3空气压力传感器，4空气增湿器，5空气湿 度传感器，6空气加热器，7空气温度传感器，8燃料电池堆，9储氢瓶，IO稳压阀，11 氢气压力传感器，12电磁阀，13氢气增湿器，14氢气湿度传感器，15氢气加热器，16 氢气温度传感器，17尾气出口电磁阀，18水箱，19水泵，20水路加热器，21入口水温
度传感器，22出口水温度传感器，23换热器及冷却风扇，24蓄电池，25继电器，26DC/DC 变压器及DC/AC逆变器，27交流负载，28直流负载，29直流电压传感器，30直流电 流传感器，31交流电压传感器，32交流电流传感器。
具体实施方式
以下所述的实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施 方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
本实用新型包括燃料电池辅助系统、监控系统、人机交互部分。
燃料电池辅助系统，包括空气过滤器l，高压鼓风机2，空气增湿器4，空气加热器 5，储氢瓶9，氢气稳压阀IO，氢气入口电磁阀12，氢气增湿器13，氢气加热器15，尾 气出口电磁阀17，水箱18，水泵19，水路加热器20，换热器及冷却风扇23，蓄电池 24，继电器25， DC/DC变压器及DC/AC逆变器26，交流负载27，直流负载28。连接关 系为空气过滤器1通过塑料管与高压鼓风机2入口相连，高压鼓风机2出口与空气增 湿器4入口相连，空气增湿器4出口与空气加热器5入口相连，空气加热器出口通过塑 料管与燃料电池堆8相连，以上构成空气路。氢气稳压阀10入口通过钢管与储氢瓶9 相连，氢气稳压阀出口与氢气入口电磁阀12入口相连，氢气入口电磁阀12出口与氢气 增湿器13入口相连，氢气增湿器13出口通过塑料管与燃料电池堆8相连，电堆尾气出 口电磁阀17通过塑料管与燃料电池堆8相连，以上构成氢气路。水箱18通过塑料管与 水泵19入口相连，水泵19出口与水路加热器20入口相连，水路加热器20出口通过塑 料管与燃料电池堆8相连，燃料电池堆8水路出口通过塑料管与换热器及冷却风扇23 入口相连，换热器及冷却风扇23出口与水箱18入口相连，以上构成水冷却回路。高压 鼓风机2为三相交流电机，功率为720W,压縮比为1.2,可通过调节输入频率来调节转速， 从而调节风压。空气增湿器4，氢气增湿器13的电机为直流无刷电机，额定电压为24V, 额定功率为120W,可通过PWM来调节电机转速，从而调节增湿效果。换热器及冷却风 扇23中的冷却器为不锈钢列管式换热器，冷却风扇为6个24V直流风扇，每个风扇额 定功率为25W,风扇的开关可通过继电器控制。
监控系统，包括蓄电池24，继电器25， DC/DC变压器及DC/AC逆变器26，空气 压力传感器3，空气湿度传感器5，空气温度传感器7，氢气压力传感器ll，氢气湿度
传感器14，氢气温度传感器16，变频器，入口水温度传感器21，出口水温度传感器22， 直流输出电压传感器29，直流输出电流传感器30，交流输出电压传感器31，交流输出 电流传感器32，模拟量采集模块，开关量输出模块，PWM驱动器，PWM输出卡，工 控机(以上末尾带有数字的表示的是在图1对应的编号)。连接关系为蓄电池24通过继 电器25与DC/DC变压器及DC/AC逆变器相连，蓄电池给DC/DC变压器及DC/AC逆 变器26供电，DC/DC变压器及DC/AC逆变器26产生310V的电压输出给变频器，变 频器与上述燃料电池辅助系统中的高压鼓风机相连，根据工控机发出的控制性信号控制 鼓风机转速，从而调节上述燃料电池辅助系统中空气路中空气压力。空气压力传感器3 安装在上述燃料电池辅助系统空气路中的高压鼓风机出口处，空气湿度传感器5安装在 空气路中增湿器的出口处，空气温度传感器7安装在空气路中加热器的出口处。氢气压 力传感器11安装在上述燃料电池辅助系统氢气路中的稳压阀的入口处，氢气湿度传感 器14安装在氢气路中增湿器的出口处，氢气温度传感器16安装在氢气路中加热器的出 口处。入口水温度传感器21安装在上述燃料电池辅助系统水冷却回路中的燃料电池堆 入口处，出口水温度传感器22安装在水冷却回路中的燃料电池堆出口处，直流输出电 压传感器29和直流输出电流传感器30安装在电堆的输出电极上。交流输出电压传感器 31和交流输出电流传感器32安装在DC/DC变压器及DC/AC逆变器26的交流输出电 极上。上述所有的传感器与模拟量采集模块相连，模拟量采集模块通过485总线与工控 机相连。工控机通过485总线与开关量输出模块相连，开关量输出模块将控制信号送给 与蓄电池，空气加热器5，氢气加热器15，换热器及冷却风扇23相连的继电器，以及 氢气入口电磁阀12,电堆尾气出口电磁阀17。工控机通过PWM输出卡产生PWM信号 送给PWM驱动器，PWM驱动器与空气增湿器4，氢气增湿器13相连，控制增湿器的 转速，从而控制空气和氢气的湿度。燃料电池堆产生的直流电与DC/DC变压器及DC/AC 逆变器26相连，DC/DC变压器及DC/AC逆变器通过继电器25与蓄电池相连给蓄电池 充电，DC/DC变压器及DC/AC逆变器26的交流输出端与交流负载相连，给负载供电。 蓄电池24，充电电压24V-27V,，放电电压为24V左右，通过继电器25与DC/DC变压 器及DC/AC逆变器相连。系统启动时，给DC/DC变压器及DC/AC逆变器26供电，当 燃料电池堆产生电后，DC/DC变压器及DC/AC逆变器26给蓄电池24充电。DC/DC变 压器及DC/AC逆变器26包括DC/DC变压器和DC/AC逆变器两个部分，工作电压为
24V，有三路端子，即24V直流，310V直流，220V交流。传感器(包括空气压力传感器 3，空气湿度传感器5，空气温度传感器，氢气压力传感器ll，氢气湿度传感器14，氢 气温度传感器16，入口水温度传感器21，出口水温度传感器22，直流输出电压传感器 29，直流输出电流传感器30，交流输出电压传感器31和交流输出电流传感器32)输出 均为4-20mA的电流信号，与模拟量采集模块相连，具有传输距离远，抗干扰能力强的 特点。模拟量采集模块工作电压为24V，输入为4-20mA的电流信号，将采集到的信号 通过485总线传到工控机。开关量输出模块工作电压为24V，输出为电压开关信号，通 过485总线与工控机相连，根据收到的控制指令控制与它相连的继电器的通断。PWM 驱动器额定电压为24V，输入信号为5V的PWM信号，输出为24V，功率为500W。堆 尾气出口电磁阀17每隔一段时间G8秒左右)接通一下(l秒左右)，从而排出燃料电 池堆中的废气。
人机交互部分，包括运行在工控机上的软件，该软件用组态软件开发，该软件从与 上述监控系统中的485总线相连的串口上读取数据，得到系统的状态信息，进行滤波处 理，存储到数据库，并以文字和曲线图的形式表现出来，同时允许用户设定上述监控系 统中各个继电器的开关，变频器的频率以及PWM的占空比。该软件还允许用户设定燃 料电池各个物理参数的范围，如果测量值不在该范围内则进行报警。
本测试平台工作时，首先启动开关打开，系统中所有的设备上电，工控机通过开关 量输出模块使继电器25接通，蓄电池24给DC/DC变压器及DC/AC逆变器26供电， DC/DC变压器及DC/AC逆变器26产生310V的电压输出给变频器，变频器使鼓风机启 动从而给燃料电池堆提供空气。氢气入口电磁阀12接通，给燃料电池堆提供氢气，系 统启动起来，燃料电池堆产生直流电，经DC/DC变压器及DC/AC逆变器26逆变出310V 直流电送给变频器，220V交流电送给水泵19， 24V直流电给蓄电池24充电。系统运行 起来后，模拟量模块将影响燃料电池性能的各个物理量通过485总线传送到工控机，工 控机根据这些物理量的值以及用户的指令控制继电器，逆变器以及增湿器，并且调节空 气的压力，温度和湿度，氢气的压力，温度和湿度以及燃料电池堆的温度，监测上述各 个物理参数对燃料电池堆的输出电压，输出电流的影响。同时将上述所有的数据保存在 数据库中供后续的数据挖掘使用。
权利要求1. 一种质子交换膜燃料电池测试平台，其特征是它包括燃料电池辅助系统、监控系统和人机交互部分；所述的燃料电池辅助系统，包括空气过滤器(1)，高压鼓风机(2)，空气增湿器(4)，空气加热器(6)，储氢瓶(9)，氢气稳压阀(10)，氢气入口电磁阀(12)，氢气增湿器(13)，氢气加热器(15)，尾气出口电磁阀(17)，水箱(18)，水泵(19)，水路加热器(20)，换热器及冷却风扇(23)，蓄电池(24)，继电器(25)，DC/DC变压器及DC/AC逆变器(26)，交流负载(27)，直流负载(28)，空气过滤器(1)通过塑料管与高压鼓风机(2)的入口相连，高压鼓风机(2)的出口与空气增湿器(4)的入口相连，空气增湿器(4)的出口与空气加热器(5)的入口相连，空气加热器(5)的出口通过塑料管与燃料电池堆(8)相连，以上构成空气回路；氢气稳压阀(10)的入口通过钢管与储氢瓶(9)相连，氢气稳压阀(10)的出口与电磁阀(12)的入口相连，电磁阀(12)的出口与氢气增湿器(13)的入口相连，氢气增湿器(13)的出口由塑料管与燃料电池堆(8)相连，电池堆(8)的尾气出口电磁阀(17)通过塑料管与燃料电池堆(8)相连，以上构成氢气回路；水箱(18)通过塑料管与水泵(19)的入口相连，水泵(19)的出口与水路加热器(20)的入口相连，水路加热器(20)的出口通过塑料管与燃料电池堆(8)相连，燃料电池堆(8)的水路出口通过塑料管与换热器及冷却风扇(23)的入口相连，换热器及冷却风扇(23)的出口与水箱(18)的入口相连，以上构成水冷却回路。
2. 根据权利要求l所述的质子交换膜燃料电池测试平台，其特征是所述的高压鼓 风机(2)为三相交流电机，功率为720W，压縮比为1.2。
3. 根据权利要求l所述的质子交换膜燃料电池测试平台，其特征是所述的空气增 湿器(4)，氢气增湿器(13)的电机为直流无刷电机，额定电压为24V,额定功率为120W。
4. 根据权利要求l所述的质子交换膜燃料电池测试平台，其特征是所述的换热器 及冷却风扇(23)中的冷却器为不锈钢列管式换热器，冷却风扇为6个24V的直流风扇， 每个风扇的额定功率为25W，风扇的开关可通过继电器控制。
5. 根据权利要求l所述的质子交换膜燃料电池测试平台，其特征是所述的监控系 统包括蓄电池(24)，继电器(25)， DC/DC变压器及DC/AC逆变器(26)，空气压力 传感器(3)，空气湿度传感器(5)，空气温度传感器(7)，氢气压力传感器(11)，氢 气湿度传感器(14)，氢气温度传感器(16)，变频器，入口水温度传感器(21)，出口 水温度传感器(22)，直流输出电压传感器(29)，直流输出电流传感器(30)，交流输 出电压传感器(31)，交流输出电流传感器(32)，模拟量采集模块，开关量输出模块， PWM驱动器和PWM输出卡，蓄电池(24)通过继电器(25)与DC/DC变压器及DC/AC 逆变器相连，蓄电池(24)给DC/DC变压器及DC/AC逆变器(26)供电，DC/DC变 压器及DC/AC逆变器(26)产生310V的电压输出给变频器，变频器与上述燃料电池辅 助系统中的高压鼓风机(2)相连；空气压力传感器(3)安装在上述燃料电池辅助系统 空气路中的高压鼓风机出口处，空气湿度传感器(5)安装在空气路中增湿器的出口处， 空气温度传感器(7)安装在空气路中加热器的出口处，氢气压力传感器(11)安装在 上述燃料电池辅助系统氢气路中的稳压阀的入口处，氢气湿度传感器(14)安装在氢气 路中增湿器的出口处，氢气温度传感器(16)安装在氢气路中加热器的出口处，入口水 温度传感器(21)安装在上述燃料电池辅助系统水冷却回路中的燃料电池堆入口处，出 口水温度传感器(22)安装在水冷却回路中的燃料电池堆出口处，直流输出电压传感器 (29)和直流输出电流传感器(30)安装在电堆的输出电极上，交流输出电压传感器(31) 和交流输出电流传感器(32)安装在DC/DC变压器及DC/AC逆变器(26)的交流输出 电极上；上述所有的传感器与模拟量采集模块相连，模拟量采集模块通过485总线与工 控机相连，工控机通过485总线与开关量输出模块相连，开关量输出模块将控制信号送 给与蓄电池(24)、空气加热器(6)，氢气加热器(15)，换热器及冷却风扇(23)相连 的继电器，以及氢气入口电磁阀12，电堆尾气出口电磁阀17;工控机通过PWM输出 卡产生PWM信号送给PWM驱动器，PWM驱动器与空气增湿器(4)，氢气增湿器(13) 相连，控制增湿器的转速，从而控制空气和氢气的湿度；燃料电池堆产生的直流电与 DC/DC变压器及DC/AC逆变器(26)相连，DC/DC变压器及DC/AC逆变器通过继电 器(25)与蓄电池相连给蓄电池(24)充电，DC/DC变压器及DC/AC逆变器(26)的 交流输出端与交流负载(27)相连，给负载供电。
6. 根据权利要求1或5所述的质子交换膜燃料电池测试平台，其特征是所述的蓄 电池(24)充电电压为24V-27V，放电电压约为24V，通过继电器(25)与DC/DC变 压器及DC/AC逆变器相连，系统启动时给DC/DC变压器及DC/AC逆变器(26)供电， 当燃料电池堆产生电后，DC/DC变压器及DC/AC逆变器(26)给蓄电池(24)充电； 该DC/DC变压器及DC/AC逆变器(26)，工作电压为24V,有三路端子，即24V直流， 310V直流，220V交流。
7. 根据权利要求1或5所述的质子交换膜燃料电池测试平台，其特征是所述的各 传感器，包括空气压力传感器(3)，空气湿度传感器(5)，空气温度传感器(7)，氢气 压力传感器(11)，氢气湿度传感器(14)，氢气温度传感器(16)，入口水温度传感器(21)，出口水温度传感器(22)，直流输出电压传感器(29)，直流输出电流传感器GO)， 交流输出电压传感器(31)和交流输出电流传感器(32)，其输出均为4-20mA的电流 信号，与模拟量采集模块相连。
8. 根据权利要求l所述的质子交换膜燃料电池测试平台，其特征是所述的模拟量 采集模块工作电压为24V，输入为4-20mA的电流信号，将采集到的信号通过485总线 传到工控机。
9. 根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池测试平台，其特征是所述的开关量 输出模块的工作电压为24V，输出为电压开关信号，通过485总线与工控机相连，由收 到的控制指令控制与它相连的继电器的通断。
10. 根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池测试平台，其特征是所述的PWM 驱动器额定电压为24V，输入信号为5V的PWM信号，输出为24V，功率为500W。
专利摘要本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池测试平台，包括燃料电池辅助系统、监控系统和人机交互部分。燃料电池辅助系统用于辅助燃料电池组产生电能及取出燃料电池组产生的电能；监控系统设定测试条件及燃料电池的工艺要求，控制燃料电池组及燃料电池辅助系统，产生电能；人机交互部分用于设定测试条件及显示监控系统送来的燃料电池堆及辅助系统的状态。燃料电池辅助系统包括塑料管，空气过滤器，高压鼓风机，空气加热器，空气增湿器，钢管，氢气稳压阀，电磁阀，氢气增湿器，电磁阀，水箱，水泵，加热器和换热器等。本实用新型可测试燃料电池组在不同条件下的运行状况，得到燃料电池堆的性能与各种参数之间的关系，具有灵活性高，监测量全，成本较低等优点。
文档编号G01R31/36GK201203663SQ20082011456
公开日2009年3月4日 申请日期2008年5月26日 优先权日2008年5月26日
发明者刘义成, 刘叶红, 秦莹莹 申请人:刘义成;刘叶红;秦莹莹