一种介入式混合空冷燃料电池交流电源的制作方法

1.本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种介入式混合空冷燃料电池交流电源。


背景技术：

2.氢燃料电池(英文简称pemfc)，是一种将燃料(和氧化剂)的化学能连续的转换为电能的装置，是按电化学原理(即原电池工作原理)，通过电堆等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能和水，具有功率密度高、能量转换效率高、环境友好等优点，在国内一定范围的军、民用领域得到示范应用推广。根据冷却介质的不同，分为空冷型燃料电池系统和水冷型燃料电池系统。目前，空气冷却型燃料电池系统由于结构简单，体积小，在便携式的电源及移动电站等军、民多个应用领域受到日益密切的关注。
3.然而，由于纯氢空冷燃料电池属于气体参与反应，伏安特性较软，适用于恒电流或恒功率输出的直流电源需求的应用场景，不适宜作为交流、脉冲输出应用的交流电源，作为一种一体化、便携、独立的空冷燃料电池电源模块或系统设计开发较少，不便于作为空冷燃料电池便携电源使用。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：针对现有应用技术存在的问题，引入可脉冲输出的辅助电源以及交流稳压模块，与燃料电池作为混合电源模块，提供一种介入式混合空冷燃料电池交流电源模块，完成燃料电池系统便携式、一体化、结构简单的电源模块设计开发，解决现有系统实用性较差的问题。
5.本发明的技术方案是：一种介入式混合空冷燃料电池交流电源，包括支撑结构，控制电路板、直流稳压模块、辅助电池、燃料电池电池堆和交流稳压模块；
6.所述支撑结构包括内部支撑结构和外部支撑结构，其中外部支撑结构形成放置电源的空间，内部支撑将放置电源的空间分为上、中、下三层；上层放置控制电路板、直流稳压模块和辅助电池；中层放置燃料电池电池堆，下层放置交流稳压模块。
7.本发明进一步的技术方案是：所述燃料电池电池堆输出直流电，分成两路：一路输出电压v1，作为交流稳压模块的输入进入，经过交流稳压模块转化后用于对外输出；另一路输出电压v2和v3，分别给控制电路板、燃料电池电池堆中的风扇组件以及电磁阀供电；当燃料电池电池堆的电压或电流降到阈值时，控制电路板发出指令，辅助电池介入，与燃料电池电池堆并路输出。
8.本发明进一步的技术方案是：所述交流稳压模块为一个功率可调的、直流电/交流电逆变器，其核心为pwm集成控制器，逆变器采用tl5001芯片。
9.本发明进一步的技术方案是：所述燃料电池电池堆一端设有供气口，另一端连接排气口，并在该管路上设置电磁阀。
10.本发明进一步的技术方案是：所述辅助电源为由两个及以上的单体电池通过串、
并联组成的可反复充电的电池组。
11.本发明进一步的技术方案是：所述直流稳压模块由两个或多个稳压模块组成；输入端和燃料电池电池堆的输出正、负极相连，另一端和控制电路板输入端、蒙皮上的电气接口的接口连接，输出端可稳压输出不同电压值的电压，分别给控制电路板、风扇及系统对外输出。
12.本发明进一步的技术方案是：所述控制电路板电信号连接固装在电池堆的温度传感器，接收温度传感器输出的电池堆温度信号，且电信号连接固装在电池堆背部的风扇组件以及电磁阀。
13.本发明进一步的技术方案是：所述控制电路板根据温度传感器检测的电池堆温度信号，控制风扇组件中风扇转速；根据获取的的电池堆内部的含水量和压力数据，控制电磁阀的开合间隔时间。
14.本发明进一步的技术方案是：所述外部支撑结构包括外框架和前蒙皮、后蒙皮、左蒙皮、右蒙皮、上蒙皮、底蒙皮共六面蒙皮，且六面蒙皮与外框架固装后形成一个独立的闭合结构。
15.本发明进一步的技术方案是：所述内部支撑结构包括两根横梁，将整体内部闭合空间分成上中下三个空间。
16.发明效果
17.本发明的技术效果在于：
18.1)本发明所述的一种介入式混合空冷燃料电池交流电源，包含了燃料电池电池堆、用于稳压的交流稳压模块和直流稳压模块、控制电路板以及外结构部分(含外框架和蒙皮)，是一个功能独立、结构完整的电源模块，只需对电源模块提供市售氢气源，即可对外持续提供交流220v的电源，可作为应急电源在野外、郊区或边远地区为用电器供电。
19.2)本发明所述的介入式混合空冷燃料电池交流电源，可通过调整燃料电池的电池堆单电池的数量和外形尺寸进而提升系统整体的输出功率，非常方便作为便携式应用提供220v市电，解决汽油机供电时噪音大、对环境不友好的困扰，具备环保的优势；
20.3)本发明所述的一种介入式混合空冷燃料电池交流电源，随辅助电池的容量、输出能力的提高，其工作时间、倍率输出能力也呈倍数增加，具有模块化、小型化的特点。
附图说明
21.图1为介入式混合空冷燃料电池交流电源模块工作原理示意框图；
22.图2为介入式混合空冷燃料电池交流电源模块内部的前视三维结构立体示意图；
23.图3为介入式混合空冷燃料电池交流电源模块的后视三维结构立体示意图；
24.图4为介入式混合空冷燃料电池交流电源模块左视三维结构立体示意图；
25.图5为介入式混合空冷燃料电池交流电源模块正等测三维结构立体示意图；
26.图6为介入式混合空冷燃料电池交流电源模块仰视(底蒙皮)三维结构立体示意图；
27.图7为介入式混合空冷燃料电池交流电源模块(蒙皮仅有后蒙皮)正三轴测三维结构立体示意图；
28.图中标号分别为：
29.1—交流稳压模块；2—燃料电池电池堆；3—辅助电池；4—直流稳压模块；5—控制电路板；6—竖梁a；7—横梁a；8—燃料电池的接线柱；9—横梁b；10—通风散热圆孔；11—竖梁b；12—后蒙皮；13—左蒙皮；14—右蒙皮；15—上蒙皮；16—底蒙皮；17—支撑板；18—横梁c。
30.1301-输出电源显示器(220v)；1302-输出电压显示器(辅助电池)；1303-电源模块开关；1304-输入电压显示器(辅助电池)；1305-气瓶气压显示器；1306-散热方孔；1401-交流稳压模块散热孔；1402-辅助电源开关；1403-辅助电池充电口；1601-燃料电池排气孔。
31.注：前蒙皮与后蒙皮形状和尺寸等完全一致，未特别附图及标注
具体实施方式
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
34.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
36.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
37.参见图1-图7，本发明为解决公知技术中存在的技术问题提供了一种便携式、介入式空冷混合氢燃料电源模块，解决燃料电池系统便携式、一体化、结构简单的集成与应用开发。本发明为解决公知技术中存在的技术问题采取的技术方案是：
38.一种介入式混合空冷燃料电池交流电源模块，该电源模块包括辅助电源、控制电路板、直流稳压模块、燃料电池电池堆、交流稳压模块、支撑板、外框架及蒙皮等零部件，各部分的工作原理示意框图见图1。
39.其特征还在于，该电源模块分为三层，辅助电源、控制电路板及直流稳压模块等位于上层，燃料电池堆位于中层，交流稳压电源模块位于下层。具体见附图2-附图7。
40.1)交流稳压模块的特征：
41.所述的交流稳压模块，为一个功率可调的、直流电/交流电逆变器(dc/ac逆变器，型号可参考选用希耐特xnt-2000p)；
42.所述的交流稳压模块，其核心为一个pwm集成控制器，adapter采用uc3842，逆变器
则采用tl5001芯片；
43.所述的交流稳压模块，输入端电压为24v-80v的直流电压，具体值可根据燃料电池电池堆电压进行调整；输出端可对外输出220v的电压，也可根据需要进行调整输出的交流电压。
44.2)燃料电池电池堆的特征：
45.所述的燃料电池电池堆，由二十个及以上的单电池、端板、紧固杆、集流板、风扇组件等零部件在一定压力下装配而成(具体装配连接结构及示意图等参考“一种便携式空冷燃料电池系统”，康二维等，中国受理专利cn202011488433.8)；
46.所述的燃料电池电池堆，有一端通过一定直径的气管可连接氢气瓶组件的快插供气口；另一端通过塑料软管连接排气口，在该管路上设置电磁阀，实现废气及废水的控制排放；
47.所述的燃料电池电池堆，通过带有螺孔的端板固装于支撑板上，其位置可调；
48.所述的燃料电池电池堆，其固装的支撑板为厚度为2mm-5mm的abs板材。
49.3)辅助电源的特征：
50.所述的辅助电源，由两个及以上的单体电池通过串、并联组成可反复充电的电池组，主要由外壳、充电线及输出线、电池组等组成，包括但不限于锂离子电池组(容量、外形尺寸等可根据需要可调整)；
51.所述的辅助电源，其外壳为具有一定强度的材料形成包覆，包括但不限于铝塑膜；
52.所述的辅助电源，其正、负极充电线及输出线分别采用一定直径的红、黑硅胶线；
53.所述的辅助电源，可通过蒙皮上的开关控制对外输出的通断；
54.所述的辅助电源，可通过蒙皮上的充电接口对其进行充电。
55.4)直流稳压模块的特征：
56.所述的直流稳压模块，由两个或多个稳压模块(dc/dc)组成；
57.所述的直流稳压模块，通过金属支撑管将稳压模块(dc/dc)直接或叠加固装于支撑板，具体位置可根据实际调整(具体装配连接结构及示意图等参考“一种便携式空冷燃料电池系统”，康二维等，中国受理专利cn202011488433.8)；
58.所述的直流稳压模块，其输入电压和输出电压，根据辅助电池、燃料电池堆电压匹配，包括但不限定为5v-60v；
59.所述的直流稳压模块，输入端和燃料电池的输出正、负极相连，另一端和控制电路板输入端、蒙皮上的电气接口的接口连接，输出端可稳压输出12v、24v、48v、60v等不同的电压，分别给控制电路板、风扇及系统对外输出。
60.5)控制电路板的特征：
61.所述的控制电路板，电信号连接固装在电池堆的温度传感器(k型热电偶或pt系列热电偶)，接收温度传感器输出的电池堆温度信号，且电信号连接固装在电池堆背部的风扇组件以及电磁阀；
62.所述控制电路板根据温度传感器检测的电池堆温度信号，控制风扇组件中风扇转速；
63.所述控制电路板根据获取的的电池堆内部的含水量和压力数据，控制电磁阀的开合间隔时间”；
64.进一步的，当温度传感器检测到电池堆的温度达到50℃及以上时，加大风扇组件中风扇的转速(设置中档以及上)；当温度传感器检测到电池堆的温度已降到40℃及以下时，减小风扇的转速(中档或低档转速)；
65.进一步的，通过设置电磁阀的开合间隔在5s-20s内变化，控制电池堆内部的含水量为30％-50％，电池堆内部的压力为0.05mpa-0.1mpa。
66.6)外框架的特征：
67.所述的外框架，包括横梁、竖梁，通过一定直径的螺钉、螺母固装而成，具体孔位及大小可根据实际需要调整；
68.所述的外框架，其横梁包括横梁a、横梁b、横梁c三种，横梁的厚度为2mm-8mm，其长度、宽度根据实际需要调整；
69.所述的外框架，其竖梁包括横梁a、横梁b，厚度为2mm-8mm，其中横梁a为直角结构；
70.7)蒙皮的特征：
71.所述的蒙皮，包括前蒙皮、后蒙皮、左蒙皮、右蒙皮、上蒙皮、底蒙皮共六面蒙皮，通过螺钉与上述的外框架固装后形成一个独立的闭合结构；
72.所述的蒙皮，采用铝合金材料机械加工并对其进行阳极氧化处理而成；
73.所述的蒙皮，其厚度可根据实际需要调整，包括但不局限于0.2mm-3mm；
74.所述的前、后蒙皮，在对应电堆位置处各加工有若干个圆孔，孔的大小、位置及个数可根据需要调整；
75.所述的左蒙皮，有开关按钮、辅助电源的输入电压、输出电压以及电源模块的输出电压等的显示窗口，可以快速便捷的开关电源并读取辅助电源的输入、输出电压及系统的电压；
76.所述的左蒙皮，其中下部加工有便于交流电源模块散热的条状槽；
77.所述的右蒙皮，加工有对辅助电源充电的电气接口，以及控制辅助电源输出通断的开关；
78.所述的右蒙皮，其中下部加工有便于交流电源模块风扇散热的方形或圆形槽；
79.所述的底蒙皮，加工一个对外的排气口，便于系统产生的水及多余气体的排放；
80.8)介入式混合空冷燃料电池交流电源模块工作流程
81.所述的介入式混合空冷燃料电池交流电源模块，由燃料电池电池堆直接输出直流电，分成两路：一路输出24v，作为交流稳压模块的输入进入，经过交流稳压模块转化后用于对外输出(220v)；另一路输出5v、12v，分别给控制电路板(5v)、燃料电池电池堆的风扇组件(12v)以及电磁阀(12v)供电。当燃料电池的电压或电流降到一定值时(电池堆的电压u
电池堆
＝v
单电池
*n，n为单电池的个数；或电池堆的输出电流升至其额定电流)，控制电路板发出指令，辅助电池介入，与燃料电池并路输出，工作原理框图如图1所示。
82.为能进一步阐述本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例和对比例，并配合附图详细说明如下：
83.参照附图1-图6：一种介入式混合空冷燃料电池交流电源模块，该系统包括交流稳压模块、燃料电池电池堆、辅助电池、直流稳压模块、控制电路板、外框架及蒙皮等。该电源模块通过与支撑板及横梁a、横梁b、横梁c及竖梁a竖梁b的固装，分为上、中、下两层，辅助电源、直流稳压模块和控制电路板位于上层，燃料电池电池堆及风扇组件、位于上层，氢气瓶
组件整体位于电源模块的中层，交流稳压模块位于电源模块的下层。整个电源模块通过蒙皮(包含前/后蒙皮、左蒙皮、右蒙皮、上蒙皮、底蒙皮)，实现电源模块内部零部件与外界的气、热通连与结构隔离；
84.其中，交流稳压模块，为一个功率最大2000w、直流电/交流电稳压模块(dc/ac逆变器，型号选用希耐特xnt-2000p)，可稳压对外输出220v的电压。
85.其中，燃料电池电池堆由59个单电池、氢气进/出气口、上端板、左端板及右端板三种端板、紧固杆等零部件组成。单电池通过上端板、左端板及右端板、紧固杆组装成燃料电池电池堆固装于支撑板，支撑板的厚度为5mm的abs板材。一端通过氢气进气口可连接氢气源，实现氢气的连续供应；另一端通过塑料软管连接燃料电池排气口，在该管路上设置电磁阀，并通过单片机(型号stc15w408as)设置固定的时间间隔(电磁阀的开合间隔为15s)，来控制电池堆内部的含水量和压力为一定范围，使其内部的含水量为30％-50％，电池堆内部的压力为0.05mpa左右，实现废气及废水的控制排放。通过控制电路板，一端连接到固装在电池堆的温度传感器(k型热电偶)，一端连接到固装在电池堆背部的风扇组件，还有一端连接电磁阀，通过带有螺孔的端板与风扇组件连接，形成闭合结构，通过对风扇的转速及电磁阀的通断控制电池堆的温度及内部水汽的含量；当温度传感器检测到电池堆的温度达到50℃及以上时，加大风扇组件中风扇的转速(采用调速风扇，设置中档或高档)；当温度传感器检测到电池堆的温度已降到40℃及以下时，减小风扇的转速(采用调速风扇，设置中档或低档转速)；
86.其中，辅助电池由7s1p的单体电池通过串、并联组成的锂离子电池组，外壳为蓝色的铝塑膜，正、负极充电线及输出线分别采用16#的红、黑硅胶线，型号可参考选用grp9564159-25c-44.4v 10000mah；
87.其中，直流稳压模块，由一个5v直流电/直流电稳压模块(dc/dc)、一个12v直流电/直流电稳压模块(dc/dc)和一个24v直流电/直流电稳压模块(dc/dc)组成，可稳压输出5v、12v、24v等不同的直流电，分别给控制电路板[5]、风扇组件及交流稳压模块[1]的输入端供电。
[0088]
其中，外框架为硬铝合金，其横梁包括横梁a、横梁b、横梁c三种，横梁的厚度和宽度均为6mm，其长度分别为400mm、210mm和200mm；其竖梁包括竖梁a、竖梁b，其厚度和宽度均为6mm，其长度分别为500mm。
[0089]
其中，蒙皮为硬铝合金，厚度为1mm，表面进行阳极氧化处理为黑色。前、后蒙皮的圆孔直径为7mm；右蒙皮的散热孔槽为长度为21mm、倒角为r2的长条散热槽；底蒙皮排气孔的直径为7mm。
[0090]
工作时，介入式混合空冷燃料电池交流电源模块，由燃料电池电池堆[2]直接输出直流电，分成两路：一路输出24v，作为交流稳压模块的输入进入，经过交流稳压模块转化为交流电用于对外输出(220v)；另一路输出5v、12v的直流电，分别给控制电路板(5v)、燃料电池电池堆[2]的风扇组件(12v)以及电磁阀(12v)供电。当用电器对介入式混合空冷燃料电池交流电源模块的需求功率时，先由燃料电池承担输出；当需求功率持续或瞬间增大，检测到燃料电池堆的电压降到24v时或电池堆的瞬间输出电流升至其额定电流约22a)，控制电路板发出指令，辅助电池[3]锂离子电池组介入(最大可瞬间输出250a)，与燃料电池并路输出2000w，燃料电池最大输出其额定电流约22a，其余由锂离子电池组承担。