随着人们生活水平的普遍提高和通信技术的快速发展，通信电源 得到了广泛应用。传统的通信电源主要通过市电进行相关转换后输出 适合通信设备使用的直流电源，其备用电源通常是体积庞大且笨重的 蓄电池组，由于蓄电池效率低、使用寿命短、不可进行二次回收再利 用、废弃后严重污染环境等一系列弊端，其使用和推广受到了很大的 限制。此外，一旦市电供电系统出现故障其维修时间较长，尤其是当 市电供电系统遭受自然灾害(如2008年的雪灾和汶川大地震等)严 重破坏时，短期内无法得到快速维修实现正常供电，而蓄电池组持续 工作的时间非常有限(一般为几个小时)，因此各种通信设备不间断 工作很难得到保证，这样带来的通信中断给工农业生产、人们的日常 生活甚至是抗灾救援等带来极大的不便，严重影响社会和谐与稳定。
美国的《时代》周刊把燃料电池列为改变人类未来生活的十大高 科技之首，目前世界各国都花巨大的人力、物力和财力对燃料电池进 行重点研究渴望获得其技术制高点以便抢占产业化的先机，由于以上 海神力科技有限公司、中科院大连化学物理研究所和武汉理工大学材 料复合新技术国家重点实验室为代表的国内机构已经具备燃料电池 大批量生产的能力，燃料电池通信备用电源有着广阔的应用市场，因 此研发通信用燃料电池备用电源对突破国外同类产品的市场垄断和 技术封锁、实现自主创新有着重大的战略意义。
目前国内尚未有商品化的通信用燃料电池备用电源的相关报道 和专利授权，大多样机处于实验室研究阶段，且都是以单模块方式实 现输出功率1～2KW，不支持多模块备用和热插拔等通信电源的特殊 使用要求，长期低温储存和无间断工作得不到保障，故商品化还有一 定的难度；国外已有的通信基站用燃料电池备用电源其氢气来源于已 加工好的现存氢气，以高压气瓶方式加注和运输，工作时间受气瓶的 容量限制，因此其可持续工作时间非常有限；此外，氢气和氧气电化 学反应产生的热量直接让其散失掉而未充分利用，因而氢气利用率和 能量转换效率明显偏低；同时燃料电池模块数量偏多、体积庞大且笨 重、低温储存能力较差、冷启动时间太长、缺乏良好的保湿能力；其 监控功能简单，不利于系统整体的观测与维护，因而燃料电池的使用 寿命不高；除此之外，系统不具备远程监控的功能，需要派遣工作人 员经常不定期进行现场维护，因此其维护成本过高，加之本身的高成 本，不利于系统的推广和产业化。

本发明的目的在于提供一种利用大自然取之不尽用之不绝的太 阳能和风能制氢，燃料供给不受市电影响，只要给燃料电池提供其反 应所需的氢和氧，它就可以提供源源不断的电能，具有高效节能、清 洁环保、安全性高、可靠性强、环境适应能力好，实现燃料电池堆模 块和DC/DC模块“3+1”方式备份且支持热插拔的通信用燃料电池备 用电源系统，以克服上述的不足。
为实现上述目的，本发明由制氢储氢单元、燃料电池单元、DC/DC 单元、输出单元、电控单元、巡检单元、监控单元以及通信单元构成， 其特点是：
制氢储氢单元：包含制氢装置和固态储氢装置，制氢装置利用太 阳能或风能制氢，以固态形式储存在固态储氢装置中；使用时通过吸 收热量释放高压氢气，氢气经过高压阀和减压阀后进入燃料电池单 元；
燃料电池单元：产生的直流电能由输出端提供给DC/DC单元，产 生的热量由空气冷热交换装置的出口供固态储氢装置吸收；
DC/DC单元：将直流电能调节升压后连接至输出单元为负载提供 电能；
输出单元：将电能分别供给负载、燃料电池单元、DC/DC单元、 电控单元、巡检单元、监控单元以及通信单元等；
电控单元：与各个传感器的数据线相连，采集氢源氢气压力、高 压氢气压力、进堆氢气压力、出堆氢气压力、空气流量、出堆空气温 度、空气冷热交换装置出口1的空气温度、固态储氢装置的空气出口 温度、输出总电压与总电流、辅助启动电池的充放电电流、市电电压、 燃料电池单元中各个燃料电池堆的输出电压、电流和温度等数据；通 过PWM输出模块、D/A输出模块、I/O控制模块控制各个单元中的执 行器；通过CAN1与巡检单元、监控单元、通信单元进行通信；
巡检单元：通过数据线与燃料电池堆模块所有单片电池的正负端 相连，采集所有单片电池电压值并通过CAN2进行传输，还通过第二 通讯模块2(RS232/485)与上位机进行通信；
监控单元：实时显示该系统相关的电压、电流、压力、流量、温 度等参数和工作状态，具备良好的人机交互功能；
通信单元：通过GPRS或Ethernet实现远程无线或有线通信与监 控，通过第一通讯模块1(RS232/485)与上位机通信，实现现场调 试、监控与故障诊断。
上述制氢储氢单元由制氢装置、固态储氢装置、高压阀、减压阀、 压力传感器P1以及温度传感器T7构成；制氢装置连接有压力传感器 P1，利用太阳能或风能制氢，其氢气出口通过管道与固态储氢装置的 氢气入口相连，氢气以固态形式储存在固态储氢装置中，固态储氢装 置的氢气出口通过管道依次与高压阀、减压阀和燃料电池单元中燃料 电池堆模块的氢气入口相连，此外，固态储氢装置的空气入口经过温 度传感器T6后与燃料电池单元中空气冷热交换装置的出口1相连， 固态储氢装置的空气出口连接有温度传感器T7，然后通过管道接入 大气，压力传感器P1和温度传感器T7的输出与电控单元的信号调理 电路1的输入端相连，分别作为氢源氢气压力和固态储氢装置的空气 出口温度的检测信号。
上述燃料电池单元由燃料电池堆模块、氢气阀、调节阀、分配器、 尾气处理器、尾气阀、空气过滤器、空气加热装置、空气抽气装置、 空气冷热交换装置、压力传感器P2～P4、温度传感器T5和T6、流量 传感器Fa构成；在氢气供给回路中，来自制氢储氢单元的氢气通过 管道与氢气阀的输入端相连，氢气阀的输出端通过管道依次与压力传 感器P2、调节阀和分配器相连，分配器连接有进堆压力传感器P3， 其输出端通过4根管道与燃料电池堆模块的氢气入口相连，燃料电池 堆模块的氢气出口通过管道与尾气处理器的输入端相连，尾气处理器 连接有出堆氢气压力传感器P4，其输出端通过管道与尾气阀的输入 端相连，尾气阀的输出端通过管道接入大气；在空气供给回路中(如 图1黑色粗线所示)，空气过滤器的风门与大气相连，其输出端通过 管道与空气加热装置的输入端相连，空气加热装置的输出端与燃料电 池堆模块的空气入口连接，燃料电池堆模块的空气出口与空气抽气装 置的输入端相连，空气抽气装置的输出端通过管道依次与空气流量传 感器Fa、温度传感器T5和空气冷热交换装置的输入端相连，空气冷 热交换装置的出口1通过管道依次与温度传感器T6和制氢储氢单元 的固态储氢装置的空气入口相连，空气冷热交换装置的出口2通过管 道连接至燃料电池单元内部；压力传感器P2～P4、温度传感器T5和 T6、流量传感器Fa的输出与电控单元的信号调理电路1的输入端相 连，分别作为高压氢气压力、进堆氢气压力和出堆氢气压力、出堆空 气温度、空气冷热交换装置出口1的空气温度和空气流量的检测信 号。
上述DC/DC单元由DC/DC1～4构成；DC/DC1～4的输入端先并联， 然后与燃料电池堆模块的正负极直流母线输出端相连，对燃料电池堆 模块的输出电压进行升压调节，DC/DC1～4输出端并联后与输出单元 的输入端相连。
上述输出单元由输出模块、内部供电电路、掉电检测电路构成； 输出模块一端与负载相连，当市电供电正常时，由220V交流电整流 为48V直流电给负载供电，同时对内部辅助启动电池进行充电；当市 电掉电时，输出模块内部的辅助启动电池给负载供电，同时与内部供 电电路的输入端相连，内部供电电路输出24V的直流电压与空气抽气 装置的供电端相连，输出12V的直流电压与高压阀、氢气阀、调节阀、 尾气阀、负载开关1～4、空气加热装置、空气冷热交换装置以及 DC/DC1～4的供电端相连，输出5V和3.3V的直流电压与温度传感器、 电控单元、巡检单元、监控单元以及通信单元的供电端相连，还输出 ±12V的直流电压与各个电压、电流、压力和流量传感器的供电端相 连；掉电检测电路的电压传感器V6的输出与电控单元的信号调理电 路1的输入端相连，作为燃料电池单元快速启动或安全停机的检测信 号。
上述电控单元由信号调理电路1、A/D采样模块1、微处理器1 (MCU1)、PWM输出模块、D/A输出模块、CAN1模块、I/O控制模块和 驱动电路构成；信号调理电路1的输入端通过数据线与电压传感器 V1～V6、电流传感器A1～A6、温度传感器T1～T7、压力传感器P1～ P4和空气流量传感器Fa的输出信号相连，信号调理电路1的输出端 与A/D采样单元1相连；PWM输出模块与空气过滤器的风门、空气抽 气装置以及调节阀的控制端相连，通过输出PWM信号控制空气过滤器 的风门开度、空气抽气装置的转速和调节阀的输出压力；D/A输出模 块与DC/DC1～4的输出电压控制端相连，通过输出不同的数字量转 换为模拟量控制DC/DC单元的输出电压值；驱动电路由I/O口控制， 其输出端与高压阀、氢气阀、尾气处理器、尾气阀、空气加热装置、 空气冷热交换装置、各个燃料电池堆的负载开关K1～K4、输出单元 中的保护电路和充放电控制电路的功率开关管的控制端相连，控制其 接通或关断；通过CAN1与巡检单元的CAN2、监控单元的CAN3和通 信单元的CAN4相连并进行通信，发送控制命令以及接收来自巡检单 元、监控单元和通信单元的相关数据和信息。
上述巡检单元由信号调理电路2、A/D采样模块2、微控制器2 (MCU2)、第二通讯模块2、CAN2模块构成；信号调理电路2的输入 端通过数据线与燃料电池堆模块所有单片电池正负端相连，信号调理 电路2的输出端与A/D采样单元2相连；MCU2将所有单片电池电压 值通过第二通讯模块2发送到上位机，通过CAN2把重要有关单片电 压值发送给电控单元、监控单元、通信单元。
上述监控单元由LCD、微控制器3(MCU3)、声光报警及指示灯电 路、按键、CAN3模块构成；通过CAN3与电控单元、巡检单元、通信 单元进行通信；LCD显示制氢储氢单元、燃料电池单元、DC/DC单元、 输出单元的各种参数与状态，以及电控单元、巡检单元、通信单元的 命令字，此外还显示该系统的各种故障码(包括参数故障和工作状态 故障)；声光报警及指示灯电路对系统正常工作状态进行显示，在故 障状态下进行声光报警；通过按下相应的按键，操作人员对燃料电池 单元相关参数进行设置和查看，或对其工作状态进行相应的操作和控 制。
上述通信单元由微控制器4(MCU4)、GPRS模块、Ethernet模块、 第一通讯模块1和CAN4模块构成；GPRS模块和远程监控中心进行无 线通信，Ethernet模块与远程监控中心进行以太网或局域网相连实 现有线通信；采用通信单元的第一通讯模块1与上位机通信，方便工 作人员进行自动或手动调试与控制。
上述燃料电池堆模块由燃料电池堆1～4、进堆氢气热插拔接口 I1～I4、出堆氢气热插拔接口01～04、温度传感器T1～T4、电压传 感器V1～V4、电流传感器A1～A4、二极管D1～D4、负载开关K1～K4 组成；燃料电池堆模块的氢气入口分别通过4根管道与进堆氢气热插 拔接口I1～I4相连，然后分别与燃料电池堆1～4的氢气入口相连， 燃料电池堆1～4的氢气出口分别通过管道与出堆氢气热插拔接口 01～04相连，然后与燃料电池堆模块的氢气出口相连；燃料电池堆 1～4的直流电源输出端分别串联有电流传感器A1～A4和并联有电压 传感器V1～V4；各自的正极依次与二极管D1～D4和负载开关K1～K4 相连，经过K1～K4后的输出端相并联作为燃料电池单元的正负极直 流电源母线输出端；温度传感器T1～T4分别嵌入燃料电池堆1～4 中与单片电池相连，温度传感器T1～T4、电压传感器V1～V4和电流 传感器A1～A4的输出与电控单元的信号调理电路1的输入端相连， 分别作为燃料电池堆1～4的温度、输出电压和输出电流的检测信号。
上述输出模块由保险管F1、滤波电路、保护电路、充放电控制 电路、辅助启动电池、电压传感器V5、电流传感器A5和A6组成； 输出模块的输入端串联有保险管F1，保险管F1的输出端与滤波电路 的输入端相连，滤波电路的输出端依次串联有电流传感器A5和并联 有电压传感器V5，然后与保护电路的输入端相连，保护电路的输出 端一方面与负载相连，另一方面与充放电控制电路的输入端相连，充 放电控制电路的双向输出端与充放电电流传感器A6串联，然后与辅 助启动电池的正负极相连，辅助启动电池的正负极还通过一个支路与 内部供电电路相连；电压传感器V5、电流传感器A5和A6的输出与 电控单元的信号调理电路1的输入端相连，分别作为该系统的输出总 电压、输出总电流以及辅助启动电池的充放电电流的检测信号。
本发明还提供一种通信用燃料电池备用电源系统智能控制方法， 其控制装置由制氢储氢单元、燃料电池单元、DC/DC单元、输出单元、 电控单元、巡检单元、监控单元以及通信单元组成，其控制方法是： 采用自适应的功率输出控制方法，通过智能启动、低温存储和长期储 存控制保证通信基站的供电无间断，同时提高系统的可靠性、耐久性 与安全性，其中：
燃料电池单元采用基于PI调节器的空气冷热交换装置和空气加 热装置的控制进行空气温度调节，分别实现氢气燃料的快速获取和低 温存储。
电控单元实时检测市电供电电压，当市电供电正常时，由220V 交流电整流为48V直流电给负载供电，同时对内部辅助启动电池进行 充电；当市电掉电时，内部辅助启动电池立即接入给负载供电，同时 给该系统各单元供电，快速启动燃料电池；当燃料电池单元启动成功 后，由燃料电池输出电能给负载供电，采用模糊控制方法改变PWM 信号的占空比，通过控制空气抽气装置的转速调节空气带走的热量将 燃料电池堆模块的温度控制在一定范围：当燃料电池堆模块1～4的 温度T1～T4都高于设定的最大温度值时，控制空气抽气装置的PWM 信号占空比为1，当燃料电池堆模块1～4的温度T1～T4都低于设定 的最大温度值时，控制空气抽气装置的PWM信号占空比为满足负载及 系统消耗功率所需2倍空气过量系数对应的最小值，当燃料电池堆模 块1～4的温度T1～T4部分高于设定的最大温度值时，控制空气抽气 装置的PWM信号占空比介于最小值和1之间。
当市电长期给负载供电而燃料电池单元不工作时，通过远程监控 中心、或现场按下启动按键、或由电控单元自动唤醒发送启动命令， 强制启动燃料电池单元保持其良好的电化学反应活性，提高其可靠性 和使用寿命。
上述燃料电池单元快速启动时为迅速获取氢气，电控单元将空气 抽气装置调至一定的转速，关闭空气冷热交换装置的出口2同时打开 其出口1，采用基于PI调节器的空气冷热交换装置出口1的空气温 度控制，设置空气冷热交换装置出口1的空气温度值为T6′，T6′与温度 传感器T6的实际检测值比较得到温度偏差ΔT6，通过PI调节器1， 改变空气冷热交换装置的加热功率，调节空气冷热交换装置出口1 的空气温度值以及制氢储氢单元的固态储氢装置的吸热量。在低温储 存时，为保持燃料电池单元内部空气温度在T5′以上(T5′>0℃)，也将 空气抽气装置调至一定的转速，此时，关闭空气冷热交换装置的出口 1同时打开其出口2，采用基于PI调节器的燃料电池单元内部温度控 制，与出堆空气温度传感器T5的实际检测值比较得到温度偏差 通过PI调节器2，改变空气加热装置的加热功率，调节燃料电 池单元的内部温度；
上述电控单元实时检测市电供电电压，当市电掉电时启动燃料电 池单元给负载供电，其中空气过量系数控制在2以上，当燃料电池单 元持续工作产生热量而温度升高时，采用模糊控制方法改变PWM输出 信号的占空比，通过控制空气抽气装置的转速调节空气带走的热量， 将燃料电池堆模块的温度保持在一定范围。
上述燃料电池单元由于燃料电池单元由于长期不工作会导致性 能衰减，当检测其持续未工作时间超过设定值时，通过远程监控中心 发送启动命令，或由现场操作人员按下启动按键，或由电控单元自动 唤醒发送启动命令，强制启动燃料电池单元，通过这种定期与不定期 的热身使燃料电池单元保持良好的电化学反应特性。
由于本发明充分利用了燃料电池电化学反应产生的热量供固态 储氢装置吸收释放氢气，明显区别于其它通信用燃料电池备用电源以 氢气瓶加注氢燃料方式，以及通过风冷或水冷方式直接将热量散失的 缺点，因而能量利用率高；所配置的燃料电池堆1～4和DC/DC1～4任 意3个的额定输出功率之和大于负载和系统消耗的最大功率，当其中 任意一个燃料电池模块或DC/DC模块发生故障时将其取下，其余三个 模块的输出仍然可维持负载正常工作，也明显区别于其它通信用燃料 电池备用电源样机以单燃料电池模块和单DC/DC模块输出功率的局 限性，以及以更多燃料电池模块(大于或等于10个)和更多DC/DC 组合实现小功率输出造成结构的复杂性，从而实现了燃料电池单元和 DC/DC单元“3+1”备份和热插拔功能，提高了系统的可靠性；采用 燃料电池堆模块温度模糊控制方法，提高了系统电化学反应的效率； 采用的基于PI调节器1的空气冷热交换装置出口1的空气温度控制， 提高了系统的快速启动能力；采用的基于PI调节器2的燃料电池单 元内部空气温度控制，提高了系统的低温存储和环境适应能力；采用 不定期的强制性启动方法，保持了燃料电池的活性，提高了其使用寿 命。本发明突破了输出功率的限制，可通过多个系统并联组合实现大 功率输出。该系统氢气利用率高、环境适应能力和可靠性好、启动快、 使用寿命长，适合各种通信备用电源使用。
附图说明
为了进一步理解本发明，作为说明书一部分的附图指示了本发明 的实施例，而所作的说明用于解释本发明的原理。
图1为本发明的整体结构原理框图。
图2为本发明的燃料电池堆模块原理框图。
图3为本发明的输出模块原理框图。
图4为本发明的内部供电电路原理框图。
图5为本发明的PI调节器1快速启动时温度控制原理框图。
图6为本发明启动后燃料电池堆模块温度模糊控制原理框图。
图7为本发明的PI调节器2低温储存时温度控制原理框图。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。
本发明的主体部分由制氢储氢单元、燃料电池单元、DC/DC单元、 输出单元、电控单元、巡检单元、监控单元以及通信单元组成(图1)； 制氢储氢单元利用太阳能或风能制氢并以固态存储，通过吸收燃料电 池单元的热量释放氢气；燃料电池单元通过氢氧的电化学反应产生直 流电能和热量；DC/DC单元对直流电能调节升压后给输出单元提供电 能；输出单元在市电掉电时给负载供电；电控单元采集各种数据以及 向各单元发送控制信息；巡检单元采集所有单片电压值进行传输；监 控单元显示各种参数和状态，实现人机交互；通信单元进行近程和远 程通信与监控。
制氢储氢单元由太阳能和风能制氢装置、高压固态储氢装置、高 压电磁阀、手动减压阀、氢源氢气压力传感器P1以及固态储氢装置 的空气出口温度传感器T7构成；制氢装置连接有氢源氢气压力传感 器P1，利用太阳能或风能制氢，其氢气出口通过管道与固态储氢装 置的氢气入口相连，氢气以固态形式储存在固态储氢装置中，固态储 氢装置的氢气出口通过管道依次与高压电磁阀、手动减压阀和燃料电 池单元中燃料电池堆模块的氢气入口相连，此外，固态储氢装置的空 气入口经过温度传感器T6后与燃料电池单元中空气冷热交换装置的 出口1相连，固态储氢装置的空气出口连接有温度传感器T7，然后 通过管道接入大气，氢源氢气压力传感器P1和固态储氢装置的空气 出口温度传感器T7的输出与电控单元的信号调理电路1的输入端相 连，分别作为氢源氢气压力和固态储氢装置的空气出口温度的检测信 号。
燃料电池单元由氢气阀、调节阀、燃料电池堆模块、氢气分配器、 尾气处理器、尾气阀、空气过滤器、空气加热装置、空气抽气装置、 空气冷热交换装置、高压压力传感器P2、进堆氢气压力传感器P3、 出堆氢气压力传感器P4、出堆空气温度传感器T5、空气冷热交换装 置出口1的空气温度传感器T6、空气流量传感器Fa构成；在氢气供 给回路中，来自制氢储氢单元的氢气通过管道与氢气阀的输入端相 连，氢气阀的输出端通过管道依次与压力传感器P2、调节阀和分配 器相连，电控单元通过控制氢气阀的开通和调压阀阀门的开度后，使 氢气被进一步降压后进入氢气分配器，氢气分配器连接有进堆压力传 感器P3，其输出端通过4根管道与燃料电池堆模块的氢气入口相连， 使氢气由此进入燃料电池堆模块，燃料电池堆模块的氢气出口通过管 道与尾气处理器的输入端相连，尾气处理器连接有出堆氢气压力传感 器P4，通过燃烧对未反应完的氢气进行消耗处理，防止其泄露到室 内或燃料电池单元内部与空气直接混合造成重大安全事故，其输出端 通过管道与尾气阀的输入端相连，尾气阀的输出端通过管道接入大 气，通过控制尾气阀的开通，排出部分尾气，保证燃料电池单元电化 学反应的效率；在空气供给回路中(如图1黑色粗线所示)，空气过 滤器的风门与大气相连，其输出端通过管道与空气加热装置的输入端 相连，通过控制风门的开度调节进入燃料电池单元内部的新鲜空气 量，空气加热装置的输出端与燃料电池堆模块的空气入口连接，燃料 电池堆模块的空气出口与空气抽气装置的输入端相连，通过控制空气 抽气装置的转速产生压力差，使得空气从空气加热装置的输出端进入 燃料电池堆模块进行反应，然后携带反应产生的热量从空气抽气装置 的输出端流出，空气抽气装置的输出端通过管道依次与空气流量传感 器Fa、出堆空气温度传感器T5和空气冷热交换装置的输入端相连， 空气冷热交换装置的出口1通过管道依次与空气温度传感器T6和制 氢储氢单元的固态储氢装置的空气入口相连，然后接入大气，空气冷 热交换装置的出口2通过管道连接至燃料电池单元内部；燃料电池堆 模块的正负极直流母线输出端电压为UO，与DC/DC单元的输入端相 连；压力传感器P2～P4、温度传感器T5和T6、流量传感器Fa的输 出与电控单元的信号调理电路1的输入端相连，分别作为高压氢气压 力、进堆氢气压力和出堆氢气压力、出堆空气温度、空气冷热交换装 置出口1的空气温度和空气流量的检测信号。
DC/DC单元由DC/DC1～4构成；DC/DC1～4的输入与输出端完全 隔离，其额定输出功率分别为P1、P2、P3、P4，任意三者之和都大于 负载功率和该系统自身消耗功率之和的最大值，DC/DC1～4的所有输 入端并联作为DC/DC单元的直流电源总输入端，DC/DC1～4的输出端 电压分别为UDC1、UDC2、UDC3、UDC4，并联后作为DC/DC单元的直流 电源总输出端与输出单元的输入端相连，稳定工作时满足： UDC1＝UDC2＝UDC3＝UDC4。当DC/DC1～4中任意一个出现故障时将其拔 掉，使得余下3个DC/DC的输出仍然维持系统正常工作满足负载及该 系统总功率消耗的需求，从而实现DC/DC单元“3+1”备份和热插拔 功能。当燃料电池单元启动后给负载供电时，通过电控单元的D/A 信号调节DC/DC1～4的输出电压，以方面使燃料电池堆各个模块的输 出尽可能均匀和一致，另一方面，当辅助启动电池SOC值较低时，为 其充电，从而提高系统的工作效率和使用寿命。
输出单元由输出模块、内部供电电路、掉电检测电路构成；输出 模块一端与负载相连，当市电供电正常时，由220V交流电整流为48V 直流电给负载供电，同时对内部辅助启动电池进行充电；当市电掉电 时，内部辅助启动电池给负载供电，同时与内部供电电路相连，内部 供电电路输出24V的直流电压与空气抽气装置的供电端相连，输出 12V的直流电压与高压阀、氢气阀、调节阀、尾气阀、负载开关1～4、 空气加热装置、空气冷热交换装置以及DC/DC1～4的供电端相连为其 供电，输出5V和3.3V的直流电压与温度传感器、电控单元、巡检单 元、监控单元以及通信单元的供电端相连为其供电，还输出±12V的 直流电压与各个电压、电流、压力和流量传感器的供电端相连为其供 电；掉电检测电路含有市电电压检测传感器V6，其输出与电控单元 的信号调理电路1的输入端相连，作为燃料电池单元快速启动或安全 停机的检测信号。
电控单元由信号调理电路1、A/D采样模块1、微处理器1(MCU1)、 PWM输出模块、D/A输出模块、CAN1模块、I/O控制模块和驱动电路 构成；信号调理电路1的输入端通过数据线与燃料电池堆1～4的输 出电压传感器V1～V4、输出单元中的输出模块的输出总电压传感器 V5、市电电压检测传感器V6、燃料电池堆1～4的输出电流传感器A1～ A4、输出单元中的输出模块的输出总电流传感器温A5、辅助启动电 池的充放电电流A6、燃料电池堆1～4的温度传感器T1～T4、出堆空 气温度传感器T5、空气冷热交换装置出口1的空气温度传感器T6、 制氢储氢单元的固态储氢装置的空气出口温度传感器T7、氢源氢气 压力传感器P1、高压压力传感器P2、进堆氢气压力传感器P3、出堆 氢气压力传感器P4以及空气流量传感器Fa的输出信号相连，信号调 理电路1的输出端与A/D采样单元1相连，MCU1将各种传感器的模 拟信号转换为数字信号进行计算处理；PWM输出模块与空气过滤器的 风门、空气抽气装置以及调节阀的控制端相连，通过输出PWM信号控 制空气过滤器的风门开度、空气抽气装置的转速和调节阀的输出压 力；D/A输出模块与DC/DC 1～4的输出电压控制端相连，通过输出 不同的数字量转换为模拟量信号控制DC/DC单元的输出电压值；驱动 电路由I/O口控制，其输出端与高压阀、氢气阀、尾气处理器、尾气 阀、空气加热装置、空气冷热交换装置、各个燃料电池堆的负载开关 K1～K4、输出单元中的保护电路和充放电控制电路的功率开关管的控 制端相连，控制其接通或关断；通过CAN1与巡检单元的CAN2、监控 单元的CAN3和通信单元的CAN4相连并进行通信，发送控制命令以及 接收来自巡检单元、监控单元和通信单元的相关数据和信息。
巡检单元由信号调理电路2、A/D采样模块2、微控制器2(MCU2)、 第二通讯模块2(RS232/485)、CAN2模块构成；信号调理电路2的输 入端通过数据线与燃料电池堆模块所有单片电池正负端相连，信号调 理电路2的输出端与A/D采样单元2相连；MCU2将所有单片电池电 压值通过巡检单元的第二通讯模块2(RS232/485)发送到上位机， 实现所有单片电池电压值在线监测，方便调试和维修；通过CAN2把 重要有关单片电压值发送给电控单元供其调整控制参数和策略、发送 给监控单元供其实时显示、发送给通信单元供其进行远程传输与监 控。
监控单元由LCD、微控制器3(MCU3)、声光报警及指示灯电路、 按键、CAN3模块构成；通过CAN3与电控单元、巡检单元和通信单元 通信；LCD与MCU3的数据总线和I/O口相连，通过翻屏、换页和滚 动的方式实时显示制氢储氢单元、燃料电池单元、DC/DC单元、输出 单元的各种参数与状态，以及电控单元、巡检单元和通信单元的命令 字，此外还显示该系统的各种故障码(包括参数故障和工作状态故 障)；声光报警及指示灯电路对系统正常工作状态进行显示，在故障 状态下进行声光报警；通过按下相应的按键，操作人员对该系统相关 控制参数(如输出总电压、燃料电池堆1～4的温度、出堆空气温度、 空气抽气装置的转速)进行设置以及对相关电压、电流、温度和压力 等进行查看，或对其工作状态进行相应的操作和控制(如强制启动或 关机、保温等)。
通信单元由微控制器4(MCU4)、GPRS模块、Ethernet模块、第 一通讯模块1(RS232/485)和CAN4模块构成；通过CAN4与电控单元、 巡检单元和监控单元通信；GPRS模块和Ethernet模块与MCU4的数 据总线和I/O口相连，GPRS模块和远程监控中心进行无线通信， Ethernet模块与远程监控中心进行以太网或局域网相连实现有线通 信；通讯接口之一采用RS232/485总线(通信单元的第一通讯模块 1(RS232/485))与上位机通信，方便工作人员进行自动或手动调试与 控制；另一通讯接口采用CAN总线(CAN4模块)与电控单元、巡检 单元和监控单元通信，接收相关数据和信息，向其发送远程监控命令。
燃料电池堆模块(图2)由燃料电池堆1～4、进堆氢气热插拔接 口I1～I4、出堆氢气热插拔接口01～04、燃料电池堆模块温度传感 器T1～T4、燃料电池堆1～4的输出电压传感器V1～V4和输出电流 传感器A1～A4、防反二极管D1～D4、负载开关K1～K4组成；燃料电 池堆模块的氢气入口分别通过4根管道与进堆氢气热插拔接口I1～ I4相连，然后分别与燃料电池堆1～4的氢气入口相连，燃料电池堆 1～4的氢气出口分别通过管道与出堆氢气热插拔接口01～04相连， 然后与燃料电池堆模块的氢气出口相连；燃料电池堆1～4的直流电 源输出端分别为U1o、U2o、U3o、U4o，并分别串联有电流传感器A1～ A4和并联有电压传感器V1～V4，各自的正极依次与防反二极管D1～ D4和负载开关K1～K4相连，负载开关K1～K4的输出端并联后作为 燃料电池单元的正负极直流电源母线输出端，在启动过程中，当控制 负载开关K1～K4全部闭合后，燃料电池单元启动完成，此时输出电 压满足U1o＝U2o＝U3o＝U4o＝Ufc，Ufc为燃料电池堆模块稳定输出总电压 值；燃料电池堆1～4的额定输出功率分别为P1net、P2net、P3net、P4net， 任意三者之和大于负载功率和该系统自身消耗功率之和的最大值，由 于进堆氢气热插拔接口I1～I4和出堆氢气热插拔接口01～04在拔出 时快速关闭以及对插时两端迅速连通的特性，当任意一个燃料电池堆 出现故障时，将其拔掉进行更换或者维修，从而实现“3+1”备份和 氢气气路热插拔功能，保证了系统的可靠性供电；温度传感器T1～ T4分别嵌入燃料电池堆1～4中与单片电池相连，温度传感器T1～T4、 电压传感器V1～V4和电流传感器A1～A4的输出与电控单元的信号调 理电路1的输入端相连，MCU1将模拟信号转换为数字信号进行计算 处理，分别作为燃料电池堆1～4的温度T1～T4、输出电压U1o～U4o和 输出电流I1～I4的检测信号。
输出模块(图3)由保险管F1、滤波电路、保护电路、充放电控 制电路、辅助启动电池、输出总电压传感器V5、输出总电流传感器 A5和充放电电流传感器A6组成；输出模块的输入端串联有保险管F1， 保险管F1的输出端与滤波电路的输入端相连，滤波电路对输入电压 进行滤波，去除高频干扰将其调整为平滑的直流电压UDC，其输出端 依次串联和并联有输出总电流传感器A5和输出总电压传感器V5，然 后与保护电路的输入端相连；保护电路的输出端作为输出模块的输出 端，一方面与负载相连，另一方面与充放电控制电路的输入端相连， 当出现欠压、过压、过流、过热时通过关断内部功率开关管切断与负 载和充放电控制电路的连接，实现对系统的保护；充放电控制电路的 双向输出端与辅助启动电池的充放电电流传感器A6串联，然后与辅 助启动电池的正负极相连；辅助启动电池的正负极还通过一个支路与 内部供电电路相连；电压传感器V5、电流传感器A5和A6的输出与 电控单元的信号调理电路1的输入端相连，分别作为该系统输出总电 压、输出总电流以及辅助启动电池的充放电电流的检测信号。
内部供电电路(图4)由DC/DC5～9组成；DC/DC5～9的输入端 与输出端完全隔离，辅助启动电池的输出端与DC/DC5与DC/DC6的输 入端相连，DC/DC5的输出端电压为12V，一方面与高压阀、氢气阀、 调节阀、尾气阀、空气加热装置、空气冷热交换装置以及DC/DC1～4 的供电端相连为其供电，另一方面与DC/DC7和DC/DC8的输入端相连 实现电压进一步转换；DC/DC6的输出端电压为24V，与空气抽气装置 的供电端相连为其供电；DC/DC7的输出端电压为5V，与电控单元、 巡检单元、监控单元、通信单元的外围电路、温度传感器T1～T6的 供电端相连为其供电，以及与DC/DC9的输入端相连实现电压进一步 转换；DC/DC8的输出端电压为±12V，给电压传感器传感器V1～V6、 电流传感器A1～A6、压力传感器P1～P4和流量传感器Fa供电； DC/DC9的输出端电压为3.3V，给电控单元、巡检单元、监控单元、 通信单元的内核和最小系统供电。
在本发明的实施例中，当检测市电掉电时，燃料电池单元快速智 能启动，其过程分为以下几个步骤：
首先，为迅速获取氢气，电控单元将空气抽气装置调至最高的转 速，关闭空气冷热交换装置的出口2同时打开其出口1，采用基于PI 调节器的空气冷热交换装置出口1的空气温度控制(如图5所示)， 将空气冷热交换装置出口1的空气温度值设置为及以上(根据环境 温度的高低情况适当调高调低)，保证制氢储氢单元的固态储氢装置 吸收热量释放的氢气进行反应产生的直流电能满足负载输出功率以 及系统自身功率消耗的要求，与空气冷热交换装置出口1的空气温 度传感器T6的实际检测值比较得到温度偏差ΔT6，通过PI调节器1， 改变空气冷热交换装置的加热功率，调节空气冷热交换装置出口1 的空气温度值。
其次，当空气冷热交换装置出口1的空气温度值上升到接近设置 值T6′时，电控单元开通高压阀、氢气阀，并控制调节阀将氢气调到一 定压力范围(通常为一个大气压左右)，使其进入燃料电池堆模块参 与反应，同时启动尾气处理器并开通尾气阀，在燃烧掉未反应完的氢 气的同时通过排尾气使燃料电池堆模块气路畅通。
然后，当燃料电池堆1～4输出电压均大于设定的最小安全启动 电压值Umin(0.8*n，n为单片电池片数)时，电控单元控制负载开关 K1～K4和充放电控制电路的充电开关闭合，同时控制放电开关断开 并关闭尾气阀，然后输出D/A信号逐步提升DC/DC1～4的输出电压值， 直至充放电电流传感器A6的输出值为负，此时燃料电池单元启动完 成，一方面给负载供电，另一方面给辅助启动电池浮充直至充满。由 于此时燃料电池堆模块温度较低，为使其温度保持在一定范围Tmin～ Tmax，提高反应效率，通过检测输出电流IO，算出满足反应所需的2 倍空气过量系数的空气流量值Fair，由空气流量Fair与空气抽气装置的 转速Vair的对应关系(由实验获取)算出PWM信号的最小占空比Dmin， 并通过PWM输出模块进行输出。
最后，燃料电池单元启动完成给负载及系统自身供电，当巡检单 元发送过来的最低单片电压值Using_low低于设定值Using_min时，控制尾气 阀每间隔m秒开通n秒排出部分尾气和生成的水，Using_low越低，设置 m的值越小，反之越大。此时，燃料电池堆模块温度采用模糊控制(如 图6所示)，其具体实施为：将燃料电池堆模块的温度给定与温度传 感器T1～T4比较得到误差和误差的变换率，通过模糊推理和去模糊 化后，得到PWM信号的占空比，由PWM输出模块输出PWM信号控制空 气抽气装置的转速实现风冷，若燃料电池堆1～4的温度T1～T4均低 于Tmin时，使得输出PWM信号的占空比为Dmin(Dmin为控制空气抽气装 置的最低转速保证空气过量系数为2时的最小占空比)；若燃料电池 堆1～4的温度T1～T4均高于Tmax时，使得输出PWM信号的占空比为1； 若燃料电池堆1～4的温度T1～T4中，有i(1≤i≤3)个值高于Tmax时， 使得输出PWM信号的占空比介于Dmin和1之间，i越大越接近1，反 之越接近Dmin。
若在燃料电池单元工作过程中，当通过电压传感器V6的值检测 市电供电正常时，电控单元通过依次断开负载开关K1～K4、开通尾 气阀、关闭空气抽气装置、空气加热装置、空气冷热交换装置、氢气 阀、调压阀和高压阀，从而实现安全关机使负载的供电重新转由市电 提供。
在本发明的实施例中，当环境温度低于0℃时，为实现低温储存 将燃料电池单元的温度保持在以上电控单元输出PWM 信号将空气抽气装置的转速调至Vsave，同时关闭空气过滤器的风门， 此外，还通过I/O控制模块输出开关量信号经过驱动电路后关闭空气 冷热交换装置的出口1，然后开通空气冷热交换装置的出口2，使燃 料电池单元里面密封的空气在内部循环流动，采用基于PI调节器2 的燃料电池单元内部空气温度控制(如图7所示)，与出堆空气温 度传感器T5的实际检测值比较得到温度偏差通过PI调节器2， 改变空气加热装置的加热功率，从而调节燃料电池单元的内部温度； 当环境温度很低燃料电池单元的内部温度上升缓慢时，同时启动空气 冷热交换装置至满功率运行进行协助加热使内部空气温度迅速达到 及以上，从而提高系统的环境适应性、低温存储能力。
燃料电池单元由于市电长期正常供电而处于闲置状态不工作，会 导致性能衰减，当检测其持续未工作时间超过设定值Tstop时，通过远 程监控中心发送启动命令，或由现场操作人员按下启动按键，或由电 控单元自动唤醒发送启动命令，强制启动燃料电池单元，启动过程如 上所述几个步骤所示，此时控制负载开关K1～K4保持断开状态，尾 气阀以定时间的方式排出尾气，通过这种空载运行生成的水保持质子 交换膜的湿度，同时使燃料电池保持良好的电化学反应活性，从而提 高了其使用寿命和长期储存能力。
最后应说明，本发明的实施例仅用于说明技术方案而非限制。本 发明说明书中未作详细描述的内容属于本专业领域技术人员公知的 现有技术。