一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统

摘要

本发明涉及角度控制系统技术领域，具体涉及一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统。控制系统包括：控制器、步进装置、电堆反应废气出口和氧传数据采集装置；所述控制器通过氧传数据采集装置得到的数据进行控制步进装置的位移；所述步进装置与所述电堆反应废气出口相接触；所述排气阀角度的不同影响所述电堆反应废气出口中尾气排放的氧气含量值E，所述尾气排放的氧气含量值E通过所述氧传数据采集装置进行采集。控制方法为将所述氧气含量值E控制在本发明提供的控制系统可以通过氧传感器中氧气含量值E的数据采用控制器进行控制步进装置，从而控制甲醇燃料电池尾气的阀门角度。

权利要求

1.一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统，其特征在于，包括：控制器、步进装置、电堆反应废气出口和氧传数据采集装置；

所述控制器通过氧传数据采集装置得到的数据进行控制步进装置的位移；

所述步进装置与所述电堆反应废气出口相接触，所述步进装置采用位移的方式控制所述电堆反应废气出口的排气阀角度；

所述排气阀角度的不同影响所述电堆反应废气出口中尾气排放的氧气含量值E，所述尾气排放的氧气含量值E通过所述氧传数据采集装置进行采集；

所述氧传数据采集装置中氧气含量值E均与位移装置系数α、控制机构控制参数S以及电堆反应废气出口截面系数β呈正相关；

所述位移装置系数α为系统根据步进装置的数据得到；

所述控制机构控制参数S为系统根据控制器的数据得到；

所述电堆反应废气出口截面系数β系电堆反应废气出口不同截面的数据得到；

所述氧气含量值E的数学表达式为E＝αS*β。

2.根据权利要求1所述的一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统，其特征在于，所述控制器、步进装置、电堆反应废气出口和氧传数据采集装置形成闭环控制系统。

3.根据权利要求1‑2任一所述的一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统，其特征在于，所述步进装置中包括角度检测传感器，所述角度检测传感器用于检测所述电堆反应废气出口的排气阀角度。

4.根据权利要求1所述的一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统，其特征在于：所述位移装置系数α通过所述步进装置的步进位移进行调节换算；

所述控制机构控制参数S通过所述步进装置的步进位移以及步进角位移进行调节换算；

所述电堆反应废气出口截面系数β通过所述电堆反应废气出口不同截面形状的开启大小以及截面积进行调节换算。

5.根据权利要求1或2所述的一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统，其特征在于，所述步进装置和所述氧传数据采集装置的外表面均匀涂覆有防静电涂层。

6.根据权利要求5所述的一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统，其特征在于，所述防静电涂层为环氧防静电涂层。

说明书

一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及角度控制系统技术领域，具体涉及一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统。

背景技术

[0002] 燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和
正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因
此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因
此甲醇燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和
氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池
就能连续地发电。

[0003] 燃料电池用途广泛，既可应用于军事、空间、发电厂领域，也可应用于机动车、移动设备、居民家庭等领域。早期燃料电池发展焦点集中在军事空间等专业应用以及千瓦级以
上分散式发电上。电动车领域成为燃料电池应用的主要方向，市场已有多种采用燃料电池
发电的自动车出现。另外，透过小型化的技术将燃料电池运用于一般消费型电子产品也是
应用发展方向之一，在技术的进步下，未来小型化的燃料电池将可用以取代现有的锂电池
或镍氢电池等高价值产品，作为用于笔记本电脑、无线电电话、录像机、照相机等携带型电
子产品的电源。近20多年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种
类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。在所有燃料电池中，碱性
燃料电池(AFC)发展速度最快，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水；质子交
换膜燃料电池(PEMFC)已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用；磷酸燃料电池(PAFC)
作为中型电源应用进入了商业化阶段，是民用燃料电池的首选；熔融碳酸盐型燃料电池
(MCFC)也已完成工业试验阶段；起步较晚的固态氧化物燃料电池(SOFC)作为发电领域最有
应用前景的燃料电池，是未来大规模清洁发电站的优选对象。

[0004] 现代种类繁多的电池中，虽然仍以氢气为主要燃料，但电池系统可以从碳氢化合物或醇类燃料中萃取出氢元素来利用。此外如垃圾掩埋场、废水处理场中厌氧微生物分解
产生的沼气也是燃料的一大来源。利用自然界的太阳能及风力等可再生能源提供的电力，
可用来将水电解产生氢气，再供给至燃料电池，如此亦可将「水」看成是未经转化的燃料，实
现完全零排放的能源系统。只要不停地供给燃料给电池，它就可不断地产生电力。

[0005] 由于燃料电池的原理系经由化学能直接转换为电能，而非产生大量废气与废热的燃烧作用，现今利用碳氢燃料的发电系统电能的转换效率可达40～50％；直接使用氢气的
系统效率更可超过50％；发电设施若与燃气涡轮机并用，则整体效率可超过60％；若再将电
池排放的废热加以回收利用，则燃料能量的利用率可超过85％。用于车辆的燃料电池其能
量转换率约为传统内燃机的3倍以上，内燃引擎的热效率约在10～20％之内。

[0006] 在现有技术中，碳氢燃料无法直接利用：除甲醇外，其它的碳氢化合物燃料均需经过转化器、一氧化碳氧化器处理产生纯氢气后，方可供现今的燃料电池利用。

[0007] 甲醇重整制氢燃料电池，是质子交换膜燃料电池的一种。其技术原理是采用蒸汽重整法将甲醇与水中携带的氢转换为H2，H2中的化学能经化学方式转换为电能。所谓蒸汽重
整法是将甲醇燃料与水蒸气混合后进入重整器，在适当温度和催化剂的作用下发生重整反
应产生氢气。然而，在现有技术中，甲醇燃料电池尾气排放不易控制，且容易出现燃烧不完
全的情况。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统及其控制方法，解决了现有技术中甲醇燃料电池尾气不易控制且燃烧不安全的问
题，提供的控制系统可以通过氧传感器中氧气含量值E的数据采用控制器进行控制步进装
置，从而控制甲醇燃料电池尾气的阀门角度。

[0009] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

[0010] 一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统，包括：控制器、步进装置、电堆反应废气出口和氧传数据采集装置；

[0011] 所述控制器通过氧传数据采集装置得到的数据进行控制步进装置的位移；

[0012] 所述步进装置与所述电堆反应废气出口相接触，所述步进装置采用位移的方式控制所述电堆反应废气出口的排气阀角度；

[0013] 所述排气阀角度的不同影响所述电堆反应废气出口中尾气排放的氧气含量值E，所述尾气排放的氧气含量值E通过所述氧传数据采集装置进行采集。

[0014] 进一步地，所述控制器、步进装置、电堆反应废气出口和氧传数据采集装置形成闭环控制系统。

[0015] 通过氧传数据采集装置得到的数据采用控制器进行控制步进装置的位移；其中步进装置与所述电堆反应废气出口相接触进行控制电堆反应废气出口的排气阀角度；其中排
气阀角度的不同影响电堆反应废气出口中尾气排放的氧气含量值E；尾气排放的氧气含量
值E通过所述氧传数据采集装置进行采集，上述控制器、步进装置、电堆反应废气出口和氧
传数据采集装置形成闭环控制系统，控制系统简单，易于操作可控。

[0016] 进一步地，所述步进装置通过步进位移和/或步进角位移进行调节以实现所述电堆反应废气出口的排气阀角度的调节；

[0017] 所述控制器根据需要预先设定通过所述控制器加大所述电堆反应废气出口的排气阀角度时，所述氧传数据采集装置采集得到的氧气含量值E控制下限值为 所述控制器
根据需要预先设定通过所述控制器减小所述电堆反应废气出口的排气阀角度时，所述氧传
数据采集装置采集得到的氧气含量的氧气含量值E控制上限值为 当氧传数据采集装置
中氧气含量值E不在 的范围中时，通过控制器中的告知单元向使用者告知燃烧不充
分。

[0018] 通过在控制器中预设俩种情形的预设值，其中氧气含量控制下限值为 氧气含量控制上限值为 当尾气排放过程中氧传数据采集装置中氧气含量值E不在 的范
围中时，通过告知单元进行提醒，从而减少了燃烧不完全的情况，使得燃烧程度基本可控。

[0019] 进一步地，所述步进装置中包括角度检测传感器，所述角度检测传感器用于检测所述电堆反应废气出口的排气阀角度。

[0020] 进一步地，所述氧传数据采集装置中氧气含量值E均与位移装置系数α、控制机构控制参数S以及电堆反应废气出口截面系数β呈正相关；

[0021] 所述位移装置系数α为系统根据步进装置的数据得到；

[0022] 所述控制机构控制参数S为系统根据控制器的数据得到；

[0023] 所述电堆反应废气出口截面系数β系电堆反应废气出口不同截面的数据得到。

[0024] 进一步地，所述氧气含量值E的数学表达式为E＝αS*β。

[0025] 进一步地，所述位移装置系数α通过所述步进装置的步进位移进行调节换算；

[0026] 所述控制机构控制参数S通过所述步进装置的步进位移以及步进角位移进行调节换算；

[0027] 所述电堆反应废气出口截面系数β通过所述电堆反应废气出口不同截面形状的开启大小以及截面积进行调节换算。

[0028] 进一步地，所述步进装置和所述氧传数据采集装置的外表面均匀涂覆有防静电涂层。

[0029] 进一步地，所述防静电涂层为环氧防静电涂层。

[0030] 上述甲醇燃料电池的排气阀角度的控制方法，将所述氧气含量值E控制在所述氧气含量值E的数学表达式为E＝αS*β；所述 为所述控制器根据需要预
先设定通过所述控制器加大所述电堆反应废气出口的排气阀角度时，所述氧传数据采集装
置采集得到的氧气含量控制下限值；所述 为所述控制器根据需要预先设定通过所述控
制器减小所述电堆反应废气出口的排气阀角度时，所述氧传数据采集装置采集得到的氧气
含量的氧气含量控制上限值。

[0031] 氧气含量值E均与位移装置系数α、控制机构控制参数S以及电堆反应废气出口截面系数β呈正相关，氧气含量值E的数学表达式为E＝αS*β，其计算方式简单，判断方式简单，
通过简单的数学关系使得燃烧程度可数据化呈现，更易于判断燃烧程度。

[0032] 本发明的有益效果是：

[0033] 1.通过氧传数据采集装置得到的数据采用控制器进行控制步进装置的位移；其中步进装置与所述电堆反应废气出口相接触进行控制电堆反应废气出口的排气阀角度；其中
排气阀角度的不同影响电堆反应废气出口中尾气排放的氧气含量值E；尾气排放的氧气含
量值E通过所述氧传数据采集装置进行采集，上述控制器、步进装置、电堆反应废气出口和
氧传数据采集装置形成闭环控制系统，控制系统简单，易于操作可控；

[0034] 2.通过在控制器中预设俩种情形的预设值，其中氧气含量控制下限值为 氧气含量控制上限值为 当尾气排放过程中氧传数据采集装置中氧气含量值E不在 的
范围中时，通过告知单元进行提醒，从而减少了燃烧不完全的情况，使得燃烧程度基本可
控；

[0035] 3.氧气含量值E均与位移装置系数α、控制机构控制参数S以及电堆反应废气出口截面系数β呈正相关，氧气含量值E的数学表达式为E＝αS*β，其计算方式简单，判断方式简
单，通过简单的数学关系使得燃烧程度可数据化呈现，更易于判断燃烧程度。

附图说明

[0036] 图1为实施例1甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统结构图；

[0037] 图2为实施例2甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统结构图；

[0038] 图3为甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统的连接框图；

[0039] 图4为充电电路的结构示意图；

[0040] 图5为电量监测单元的结构示意图。

具体实施方式

[0041] 下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

[0042] 实施例1

[0043] 如图1所示，一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统，包括：控制器、步进装置、电堆反应废气出口和氧传数据采集装置；

[0044] 所述控制器通过氧传数据采集装置得到的数据进行控制步进装置的位移；

[0045] 所述步进装置与所述电堆反应废气出口相接触，所述步进装置采用位移的方式控制所述电堆反应废气出口的排气阀角度；

[0046] 所述排气阀角度的不同影响所述电堆反应废气出口中尾气排放的氧气含量值E，所述尾气排放的氧气含量值E通过所述氧传数据采集装置进行采集；

[0047] 所述控制器、步进装置、电堆反应废气出口和氧传数据采集装置形成闭环控制系统。

[0048] 所述步进装置通过步进位移和/或步进角位移进行调节以实现所述电堆反应废气出口的排气阀角度的调节；

[0049] 所述控制器根据需要预先设定通过所述控制器加大所述电堆反应废气出口的排气阀角度时，所述氧传数据采集装置采集得到的氧气含量值E控制下限值为 所述控制器
根据需要预先设定通过所述控制器减小所述电堆反应废气出口的排气阀角度时，所述氧传
数据采集装置采集得到的氧气含量的氧气含量值E控制上限值为 当氧传数据采集装置
中氧气含量值E不在 的范围中时，通过控制器中的告知单元向使用者告知燃烧不充
分；

[0050] 具体地，所述步进装置中包括角度检测传感器，所述角度检测传感器用于检测所述电堆反应废气出口的排气阀角度。

[0051] 具体地，所述氧传数据采集装置中氧气含量值E均与位移装置系数α、控制机构控制参数S以及电堆反应废气出口截面系数β呈正相关，所述氧气含量值E的数学表达式为E＝
αS*β；

[0052] 所述位移装置系数α为系统根据步进装置的数据得到；

[0053] 所述控制机构控制参数S为系统根据控制器的数据得到；

[0054] 所述电堆反应废气出口截面系数β系电堆反应废气出口不同截面的数据得到。

[0055] 具体地，所述位移装置系数α通过所述步进装置的步进位移进行调节换算；

[0056] 所述控制机构控制参数S通过所述步进装置的步进位移以及步进角位移进行调节换算；

[0057] 所述电堆反应废气出口截面系数β通过所述电堆反应废气出口不同截面形状的开启大小以及截面积进行调节换算。

[0058] 具体地，所述步进装置和所述氧传数据采集装置的外表面均匀涂覆有环氧防静电涂层。

[0059] 实施例2

[0060] 如图2所示，一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统，包括：控制器、步进装置、电堆反应废气出口和氧传数据采集装置；

[0061] 所述控制器通过氧传数据采集装置得到的数据进行控制步进装置的位移；

[0062] 所述步进装置与所述电堆反应废气出口相接触，所述步进装置采用位移的方式控制所述电堆反应废气出口的排气阀角度；

[0063] 所述排气阀角度的不同影响所述电堆反应废气出口中尾气排放的氧气含量值E，所述尾气排放的氧气含量值E通过所述氧传数据采集装置进行采集；

[0064] 所述控制器、步进装置、电堆反应废气出口和氧传数据采集装置形成闭环控制系统。

[0065] 所述步进装置通过步进位移和/或步进角位移进行调节以实现所述电堆反应废气出口的排气阀角度的调节；

[0066] 所述控制器根据需要预先设定通过所述控制器加大所述电堆反应废气出口的排气阀角度时，所述氧传数据采集装置采集得到的氧气含量值E控制下限值为 所述控制器
根据需要预先设定通过所述控制器减小所述电堆反应废气出口的排气阀角度时，所述氧传
数据采集装置采集得到的氧气含量的氧气含量值E控制上限值为 当氧传数据采集装置
中氧气含量值E不在 的范围中时，通过控制器中的告知单元向使用者告知燃烧不充
分；

[0067] 具体地，所述步进装置中包括角度检测传感器，所述角度检测传感器用于检测所述电堆反应废气出口的排气阀角度。

[0068] 具体地，所述氧传数据采集装置中氧气含量值E均与位移装置系数α、控制机构控制参数S以及电堆反应废气出口截面系数β呈正相关，所述氧气含量值E的数学表达式为E＝
αS*β；

[0069] 所述位移装置系数α为系统根据步进装置的数据得到；

[0070] 所述控制机构控制参数S为系统根据控制器的数据得到；

[0071] 所述电堆反应废气出口截面系数β系电堆反应废气出口不同截面的数据得到。

[0072] 具体地，所述位移装置系数α通过所述步进装置的步进位移进行调节换算；

[0073] 所述控制机构控制参数S通过所述步进装置的步进位移以及步进角位移进行调节换算；

[0074] 所述电堆反应废气出口截面系数β通过所述电堆反应废气出口不同截面形状的开启大小以及截面积进行调节换算。

[0075] 具体地，所述步进装置和所述氧传数据采集装置的外表面均匀涂覆有环氧防静电涂层。

[0076] 上述实施例1和实施例2中甲醇燃料电池的排气阀角度的控制方法，将所述氧气含量值E控制在 所述氧气含量值E的数学表达式为E＝αS*β；所述 为所述控制器
根据需要预先设定通过所述控制器加大所述电堆反应废气出口的排气阀角度时，所述氧传
数据采集装置采集得到的氧气含量控制下限值；所述 为所述控制器根据需要预先设定
通过所述控制器减小所述电堆反应废气出口的排气阀角度时，所述氧传数据采集装置采集
得到的氧气含量的氧气含量控制上限值。

[0077] 在一个实施例中，还包括分别对控制器、步进装置、电堆反应废气出口和氧传数据采集装置进行供电的蓄电池，所述蓄电池通过一充电电路进行充电，如图4所示充电电路的
结构示意图，充电电路包括包括感应线圈，所述感应项圈用于感应NFC模块输出射频磁场的
磁通量变化而生成感应电流；所述感应线圈包括位于感应线圈上部的第一输出点A、下部的
第二输出点B以及中部的第三输出点C；所述第三输出点C通过一电感与电能输出端D连接；
所述第一输出点A与第一MOS管Q1的漏极连接，所述第一MOS管Q1的栅极与电能输出端D连
接；所述第二输出点B与第二MOS管Q2的漏极连接，所述第二MOS管Q2的栅极与电能输出端D
连接；所述第一MOS管Q1的源极与第二MOS管Q2的源极连接，所述第一MOS管Q1的源极与第二
MOS管Q2的源极连接的节点与电能输出端E连接；所述电能输出端D和电能输出端E分别与蓄
电池的电极相连。

[0078] 在一个实施例中，所述第一MOS管Q1的源极与第二MOS管Q2的源极之间设置有第一整流二极管Z1和第二整流二极管Z2，所述第一整流二极管Z1和第二整流二极管Z2的节点与
电能输出端E连接；所述第一MOS管Q1的源极与第二MOS管Q2的源极之间设置有第一电阻R1
和第二电阻R2，所述第一电阻R1和第二电阻R2的节点与电能输出端E连接。所述第一MOS管
Q1的栅极通过第三电阻R3与电能输出端D连接；所述第二MOS管Q2的栅极通过第四电阻R4与
电能输出端D连接。所述第三电阻R3与第一MOS管Q1的栅极的节点通过第三二极管、第一电
容与感应线圈的第一输出点A连接。

[0079] 还包括用于对蓄电池的电量进行监测的电量监测单元，其中电量监测单元通过霍尔传感器、积分电路、积分电容放电电路和脉冲发生电路组成，霍尔传感器与积分电路电连
接，其中霍尔传感器用于获取蓄电池充放电的电流，当蓄电池为放电状态时霍尔传感器将
电流信号转换成负电压信号，通过积分电路对该电压信号进行积分处理，积分到设定电压
时脉冲发生电路产生一个放电电量的脉冲，并通过积分电容放电电路对积分电路的积分电
容进行放电，并且进行下一次积分，当蓄电池为充电状态霍尔传感器将电流信号转换成正
电压信号后通过反相器转换成负电压信号，积分电路对该电压信号进行积分处理，积分到
设定电压时脉冲发生电路产生一个充电电量脉冲，并对积分电路的积分电容进行放电，然
后进行下一次积分，用计数器分别对蓄电池充电电量脉冲和放电电量脉冲计数，再做减法
运算，进行蓄电池荷电状态的监测。

[0080] 在一个实施例中，其中积分电路包括第五电阻R5、第六电阻R6，第二电容C2、第三电容C3、第七二极管Z7、第八二极管Z8、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2和反相器U3，
其中第五电阻R5的一端与反相器U3的输入端连接于霍尔电流传感器输出端，第五电阻R5另
一端接第一运算放大器的反相端，第二电容C2与第七二极管Z7并联之后第七二极管Z7阳极
连接第一运算放大器U1反相端，第七二极管Z7阴极连接于第一运算放大器U1输出端，反相
器U3与第六电阻R6串联之后连接第二运算放大器U2反相端，第二电容C2与第八二极管Z8并
联之后第八二极管Z8阳极连接第二运算放大器U2反相端，第八二极管Z8阴极连接于第二运
算放大器U2输出端。

[0081] 在一个实施例中，所述积分电容放电电路包括第一模拟开关K1，第二模拟开关K2，其中第一模拟开关K1与第二电容C2并联，第一模拟开关K1的控制端与反向电流输出脉冲端
连接，第二模拟开关K2与第二电容C2并联，第二模拟开关K2的控制端与正向电流输出脉冲
端连接。

[0082] 在一个实施中，所述脉冲发生电路包括第七电阻R7、第八电阻R7，第一电压比较器U4、第二电压比较器U5，第七电阻R7连接于积分电路中的第一运算放大器U1输出端与第一
电压比较器U4正相端之间，第一电压比较器U4的反相端接设定的参考电压，第一电压比较
器U4输出端接反向电流输出脉冲端，第八电阻R8连接于积分电路中的第二运算放大器U2输
出端与第二电压比较器U5正相端之间，第二电压比较器U5的反相端接设定的参考电压，第
二电压比较器U5输出端接正向电流输出脉冲端。

[0083] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本
文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进
行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围
内。