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

本實驗平臺主要用于研究風冷型質(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)進行監(jiān)控,，與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。在此基礎上,，研究不同操作條件下電堆輸出性能變化趨勢,，改進控制算法，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|燃料電池技術及應用實訓裝置定位及特色：

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,、  線性負載60W,、可選電子負載300W、阻性負載（LED陣列）50W,。

能開展的主要實驗：

1,、  線形負載和燈泡負載電堆性能實驗

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、           實驗臺設計的目的與功能

本實驗平臺主要用于研究風冷型質(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)進行監(jiān)控,。在此基礎上，研究不同操作條件下電堆輸出性能變化趨勢,，改進控制算法,，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

百瓦級風冷型燃料電池教學－科研實驗平臺系統(tǒng)組成示意圖

百瓦級風冷型燃料電池教學實驗平臺

三,、           系統(tǒng)硬件配置

百瓦級風冷型燃料電池教學/科研實驗臺主要硬件配置如表一所示：

四,、           系統(tǒng)實驗設計

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,，在此基礎上自行開發(fā)專門實驗。

1,、  電堆溫度尋優(yōu)實驗

風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，負載變化導致的電堆輸出功率變化,，也會影響電堆內(nèi)部的反應環(huán)境,。因此，決定電堆輸出性能的關鍵控制量－工作溫度,，因此,，在不同環(huán)境溫度和負載變化下，確定*的溫度設定值,，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定值,。

2、  電堆溫度控制實驗

電堆溫度不但影響化學反應活度,，同時影響電堆內(nèi)部的濕度,，反應的生成物－水，是由氣,、液兩相組成,，溫度過高會導致膜失水，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）的基礎上,，設計控制算法，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，容易引起空氣側串氣,，損壞單池陽極,。因此，氫氣壓力控制是保護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鍵所在,。本實驗的目的在于，設計控制算法,，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系,，質(zhì)子的導通能力直接決定電子的產(chǎn)生速度。因此,，適當?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熱增濕裝置，保證進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,。由于增加預熱增濕和循環(huán)冷卻裝置，相應加大了成本,，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，所以多用風冷型電堆,。本實驗目的在于,，利用尾氣排放方式控制電堆內(nèi)濕度,，設計控制算法，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、風扇電壓,、氫氣供氣壓力、電堆輸出和負載消耗電流,、電壓,、功率等參數(shù)的顯示；

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

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)的功能擴展

1、  不同結構風冷型質(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、  在上述研究的基礎上,，開展電堆性能的故障診斷研究,。

燃料電池技術及應用實訓裝置系列產(chǎn)品