燃料電池發(fā)電全檢測型實驗系統(tǒng)2|燃料電池技術(shù)及應(yīng)用實訓(xùn)裝置

本實驗平臺主要用于研究風(fēng)冷型質(zhì)子交換膜燃料電池堆的性能檢測方法、控制策略、性能評價方法。實現(xiàn)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)參量的全檢測，對影響電堆電氣輸出特性的重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。在此基礎(chǔ)上，研究不同操作條件下電堆輸出性能變化趨勢，改進(jìn)控制算法，提高系統(tǒng)控制性能；優(yōu)化電堆運行的操作條件，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。

燃料電池發(fā)電全檢測型實驗系統(tǒng)2|燃料電池技術(shù)及應(yīng)用實訓(xùn)裝置定位及特色：

1、  實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的電壓、電流、功率、氫氣流量、氫氣壓力、電堆溫度、風(fēng)扇電壓、環(huán)境溫度的檢測與顯示。

2、  實現(xiàn)電堆溫度和尾氣排放控制。

3、  制定燃料電池性能測試規(guī)則，建立電堆性能評價模型。

4、  設(shè)計制作全檢測型燃料電池性能分析實驗系統(tǒng)平臺。

5、  電堆功率100W，儀表由系統(tǒng)獨立12V供電，系統(tǒng)耗氫1.5L/min，Labview顯示界面編程。

6、  線性負(fù)載60W、可選電子負(fù)載300W、阻性負(fù)載（LED陣列）50W。

能開展的主要實驗：

1、  線形負(fù)載和燈泡負(fù)載電堆性能實驗

2、  電堆溫度尋優(yōu)實驗

3、  電堆溫度控制實驗

4、  氫氣壓力控制實驗

5、  電堆濕度控制實驗

6、  電堆性能檢測實驗

7、  不同操作條件的電堆性能變化實驗

一、           實驗臺設(shè)計的目的與功能

本實驗平臺主要用于研究風(fēng)冷型質(zhì)子交換膜燃料電池堆的性能檢測方法、控制策略、性能評價方法。實現(xiàn)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)參量的全檢測，對影響電堆電氣輸出特性的重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。在此基礎(chǔ)上，研究不同操作條件下電堆輸出性能變化趨勢，改進(jìn)控制算法，提高系統(tǒng)控制性能；優(yōu)化電堆運行的操作條件，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。

二、           系統(tǒng)組成

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要由500W風(fēng)冷型質(zhì)子交換膜燃料電池堆、供氣單元、電力電子轉(zhuǎn)換單元、控制單元、負(fù)載實驗單元、系統(tǒng)控制分析軟件六部分組成。

控制單元

百瓦級風(fēng)冷型燃料電池教學(xué)－科研實驗平臺系統(tǒng)組成示意圖

百瓦級風(fēng)冷型燃料電池教學(xué)實驗平臺

三、           系統(tǒng)硬件配置

百瓦級風(fēng)冷型燃料電池教學(xué)/科研實驗臺主要硬件配置如表一所示：

四、           系統(tǒng)實驗設(shè)計

本實驗平臺從燃料電池堆的輸出性能檢測、控制和性能評價方面，將實驗分為六個大類，教師和研究人員可在此原則下，自行設(shè)計驗證性實驗、綜合性實驗。研究人員可根據(jù)自己的研究方向，在此基礎(chǔ)上自行開發(fā)專門實驗。

1、  電堆溫度尋優(yōu)實驗

風(fēng)冷型燃料電池堆的工作溫度，不僅受到電堆本身發(fā)電放熱的影響，也由于空氣供氣方式，受到環(huán)境溫度的影響。同時，負(fù)載變化導(dǎo)致的電堆輸出功率變化，也會影響電堆內(nèi)部的反應(yīng)環(huán)境。因此，決定電堆輸出性能的關(guān)鍵控制量－工作溫度，因此，在不同環(huán)境溫度和負(fù)載變化下，確定*的溫度設(shè)定值，能夠獲得*的輸出性能，提高發(fā)電系統(tǒng)效率。本實驗的目的在于，利用實驗數(shù)據(jù)，建立電堆*工作溫度模型，為電堆溫度控制提供設(shè)定值。

2、  電堆溫度控制實驗

電堆溫度不但影響化學(xué)反應(yīng)活度，同時影響電堆內(nèi)部的濕度，反應(yīng)的生成物－水，是由氣、液兩相組成，溫度過高會導(dǎo)致膜失水，溫度過低會引起電極淹沒，zui終造成電堆輸出性能下降。因此，電堆工作溫度控制是控制系統(tǒng)zui主要的功能之一。本實驗的目的在于，在實驗（1）的基礎(chǔ)上，設(shè)計控制算法，使電堆的工作溫度具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，保證電堆輸出性能*。

3、  氫氣壓力控制實驗

燃料電池堆是一種氫能發(fā)電裝置，氫氣壓力的變化直接影響電堆的輸出性能。同時，過高的氫壓（尤其在與空氣供氣壓力失配的情況下），容易造成質(zhì)子膜破損；過低的氫壓，容易引起空氣側(cè)串氣，損壞單池陽極。因此，氫氣壓力控制是保護(hù)電堆運行安全的重要組成部分，也是保證電堆輸出性能良好的關(guān)鍵所在。本實驗的目的在于，設(shè)計控制算法，保證氫氣壓力穩(wěn)定，電堆輸出性能*，并在氫瓶供氣壓力低時，給出報警信號，保護(hù)電堆不被損壞。

4、  電堆濕度控制實驗

電堆內(nèi)的濕度與質(zhì)子膜的水飽和程度有著密切關(guān)系，質(zhì)子的導(dǎo)通能力直接決定電子的產(chǎn)生速度。因此，適當(dāng)?shù)臐穸仁怯绊戨姸演敵鲂阅艿牧硪粋€重要參數(shù)。大功率規(guī)模的水冷型電堆都有預(yù)熱增濕裝置，保證進(jìn)入電堆的燃料氣體和氧化氣體有一定的溫度和濕度，使電堆具有良好的啟動特性和輸出性能。由于增加預(yù)熱增濕和循環(huán)冷卻裝置，相應(yīng)加大了成本，并使系統(tǒng)體積過于龐大，而1kW以下小功率系統(tǒng)大多要求作為易攜帶的獨立電源，所以多用風(fēng)冷型電堆。本實驗?zāi)康脑谟冢梦矚馀欧欧绞娇刂齐姸褍?nèi)濕度，設(shè)計控制算法，調(diào)節(jié)電磁閥開閉周期和PWM波占空比，保證電堆輸出性能*。

5、  電堆性能檢測實驗

電堆的輸出性能可由不同負(fù)載變化下的電流－電壓曲線（V-I曲線）和功率－電流曲線（P-I曲線）來表征。本實驗的目的在于，通過控制電堆溫度、氫氣壓力和尾氣排放周期，在定電流、定電壓、定功率模式下，獲得電堆在單一操作條件下的性能曲線，研究曲線變化形狀，拐點位置和線性度，可以定性分析電堆反應(yīng)的極化段、歐姆段和濃差段的特性。

6、  不同操作條件的電堆性能變化實驗

電堆工作溫度、氫氣供氣壓力和尾氣排放周期，可稱為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的操作條件。在不同的操作條件下，電堆的輸出性能曲線也不同。本實驗的目的在于，利用控制手段，獲得不同操作條件下的電堆性能曲線，對其形狀、拐點位置和線性度的變化進(jìn)行比較，定性分析各操作條件下電堆輸出性能的優(yōu)劣。

五、           系統(tǒng)控制分析軟件說明

本系統(tǒng)控制分析軟件功能包括：

電堆工作溫度、環(huán)境溫度、風(fēng)扇電壓、氫氣供氣壓力、電堆輸出和負(fù)載消耗電流、電壓、功率等參數(shù)的顯示；

負(fù)載實驗方式、控制參數(shù)（包括設(shè)定溫度、設(shè)定壓力、電磁閥通斷時間、報警限值、定電流、定電壓、定電阻、定功率設(shè)定值、控制器參數(shù)等）的設(shè)定；

不同操作條件下的電堆輸出性能檢測，V-I、P-I、P-V的動態(tài)變化曲線顯示；

電堆溫度、氫氣供氣壓力、空氣供氣風(fēng)扇電壓和尾氣排放周期控制；

1、  不同操作條件下，電堆性能曲線比較。

圖1 工藝流程指示和參數(shù)顯示界面          圖2 電堆工作溫度實時控制界面

圖3 電堆輸出性能V-I曲線動態(tài)顯示          圖4 不同工作溫度下電堆V-I曲線比較

六、           系統(tǒng)的功能擴(kuò)展

1、  不同結(jié)構(gòu)風(fēng)冷型質(zhì)子交換膜燃料電池堆，操作條件優(yōu)化研究，提高發(fā)電系統(tǒng)效率。

2、  改進(jìn)控制算法，提高控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能，優(yōu)化電堆輸出性能。

3、  完善電堆性能檢測手段和方法，實現(xiàn)電堆性能的在線檢測和在線評價。

4、  在上述研究的基礎(chǔ)上，開展電堆性能的故障診斷研究。

燃料電池技術(shù)及應(yīng)用實訓(xùn)裝置系列產(chǎn)品