1.5KW水冷型燃料電池科研實(shí)驗(yàn)臺(tái)|燃料電池技術(shù)及應(yīng)用實(shí)訓(xùn)裝置

實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的目的與功能

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要用于研究水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池堆的性能檢測(cè)方法、控制策略,、性能評(píng)價(jià)方法,。實(shí)現(xiàn)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)參量的全檢測(cè)，對(duì)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(shì)，改進(jìn)控制算法,，提高系統(tǒng)控制性能,；優(yōu)化電堆運(yùn)行的操作條件,，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。

二,、1.5KW水冷型燃料電池科研實(shí)驗(yàn)臺(tái)|燃料電池技術(shù)及應(yīng)用實(shí)訓(xùn)裝置系統(tǒng)組成

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要由1500W水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池堆,、供氣單元、增濕加熱單元,、循環(huán)冷卻單元,、電力電子轉(zhuǎn)換單元、控制單元,、負(fù)載實(shí)驗(yàn)單元,、系統(tǒng)控制分析軟件八部分組成。

千瓦級(jí)水冷型燃料電池教學(xué)－科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)組成示意圖

千瓦級(jí)水冷型燃料電池教學(xué)－科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

三,、系統(tǒng)硬件配置

百瓦級(jí)風(fēng)冷型燃料電池教學(xué)/科研實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要硬件配置如表一所示：

四、           系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從燃料電池堆的輸出性能檢測(cè),、控制和性能評(píng)價(jià)方面,，將實(shí)驗(yàn)分為十一個(gè)大類，教師可在此原則下,，自行設(shè)計(jì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),、綜合性實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn),。

1、  電堆工作溫度尋優(yōu)實(shí)驗(yàn)

水冷型燃料電池堆的工作溫度,，主要受到電堆本身發(fā)電放熱,，反應(yīng)氣體預(yù)熱增濕的影響。同時(shí),，負(fù)載變化導(dǎo)致的電堆輸出功率變化,，也會(huì)影響電堆內(nèi)部的反應(yīng)環(huán)境，因此,，電堆工作溫度是輸出性能控制的關(guān)鍵,。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(shí)驗(yàn)的目的在于，通過(guò)實(shí)驗(yàn),，建立不同功率輸出下的電堆*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(shí)驗(yàn)

電堆溫度不但影響化學(xué)反應(yīng)活度,，同時(shí)影響電堆內(nèi)部的濕度，反應(yīng)生成物水是由氣,、液兩相組成,，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致膜失水，溫度過(guò)低會(huì)引起電極淹沒(méi),，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(shí)驗(yàn)的目的在于,，在實(shí)驗(yàn)（1）的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)控制算法,，使電堆的工作溫度具有良好的動(dòng)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(shí)驗(yàn)

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(shí),，過(guò)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(guò)低的氫壓,，容易引起空氣側(cè)串氣，損壞單池陽(yáng)極,。因此,，氫氣壓力控制是保護(hù)電堆運(yùn)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(shí)驗(yàn)的目的在于,，設(shè)計(jì)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(shí)，給出報(bào)警信號(hào)，保護(hù)電堆不被損壞,。

4,、  空氣壓力控制實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)（3）的目的相同，設(shè)計(jì)控制算法,，保證空氣供氣壓力穩(wěn)定,。對(duì)于用氣泵或空氣壓縮機(jī)等作為供氣設(shè)備，則要建立設(shè)備轉(zhuǎn)速,、空氣流量和壓力之間的關(guān)系模型,，保證在不同功率輸出下，控制轉(zhuǎn)速,，保證空氣供氣壓力穩(wěn)定,。此外，空氣壓力與氫氣壓力具有一定范圍的比值關(guān)系（在1.0 : 1.3之間）,，所以反應(yīng)氣體壓力控制實(shí)際是一種比值控制,。

5、  氫氣和空氣的化學(xué)反應(yīng)比例系數(shù)實(shí)驗(yàn)

在化學(xué)反應(yīng)中,，氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)比為2 : 1,，但在以空氣為氧化氣體時(shí)，化學(xué)反應(yīng)比可在1 : 3.0～8.0之間變化,，比例系數(shù)的改變直接影響電堆內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速度和質(zhì)子膜水飽和度,，間接影響電堆的輸出性能，是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題,。本實(shí)驗(yàn)的目的在于,，調(diào)整化學(xué)反應(yīng)比例系數(shù)，使空氣供氣處于“過(guò)剩”,、“正常”,、“缺乏”三種階段，觀察電堆性能的變化,。

6,、  電堆氫氣側(cè)增濕實(shí)驗(yàn)

對(duì)于大功率的水冷電堆，尤其在高功率輸出時(shí),，電堆內(nèi)部的濕度環(huán)境是非常重要的,，它一方面決定了輸出性能，另一方面影響電堆的使用壽命,。因此,，為了保證堆內(nèi)的濕度環(huán)境，需要對(duì)氫氣側(cè)進(jìn)行預(yù)熱增濕,。本實(shí)驗(yàn)的目的在于,，通過(guò)調(diào)節(jié)氫氣預(yù)熱增濕溫度和進(jìn)氣流量,，提高氫氣的相對(duì)濕度，改善電堆的輸出性能,。

7,、  電堆空氣側(cè)增濕實(shí)驗(yàn)

與氫氣側(cè)相比，空氣側(cè)的預(yù)熱增濕更為重要,，這是因?yàn)榭諝饬髁勘葰錃饬髁看蠛芏?，?duì)堆內(nèi)的濕度影響更大。在實(shí)驗(yàn)（7）的基礎(chǔ)上,，調(diào)節(jié)空氣預(yù)熱增濕溫度和空氣進(jìn)氣流量,，控制空氣進(jìn)氣相對(duì)濕度，提高電堆的輸出性能,。

8,、  電堆濕度控制實(shí)驗(yàn)

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€(gè)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(dòng)特性和輸出性能。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟?，利用尾氣排放方式控制電堆?nèi)濕度,，設(shè)計(jì)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*,。

9、  單電池電壓巡檢實(shí)驗(yàn)

電堆輸出性能的好壞可以由各單電池的輸出電壓直接表現(xiàn)出來(lái),，利用所設(shè)計(jì)的多通道電壓巡檢裝置在線檢測(cè)單電池電壓,，監(jiān)控電堆的書輸出性能。

10,、              電堆性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

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(lái)表征。本實(shí)驗(yàn)的目的在于,，通過(guò)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(diǎn)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,。

11,、              不同操作條件的電堆性能變化實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)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(duì)其形狀,、拐點(diǎn)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(shuō)明

本系統(tǒng)控制分析軟件功能包括：

1、  電堆工作溫度,、冷卻水進(jìn)/出口溫度,、預(yù)熱增濕溫度、氫氣/空氣供氣壓力,、尾氣排放壓力,、電堆輸出和負(fù)載消耗電流、電壓,、功率等參數(shù)的顯示,；

2、  負(fù)載實(shí)驗(yàn)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(shí)間,、報(bào)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,；

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

4、  電堆溫度控制,、氫氣/空氣供氣壓力控制,、循環(huán)冷卻水溫度/流量控制、尾氣排放壓力/周期控制,；

5,、  不同操作條件下，電堆性能曲線比較,；電堆輸出性能評(píng)價(jià),。

圖1 工藝流程指示和參數(shù)設(shè)置界面            圖2 單電池電壓巡檢界面

圖3 預(yù)熱增濕溫度控制界面                圖4 電堆工作溫度控制界面

圖5 電堆反應(yīng)氣體壓力控制界面輸出        圖6 電堆尾氣排放周期控制界面

六、           系統(tǒng)的功能擴(kuò)展

1,、  不同結(jié)構(gòu)水冷型質(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(dòng)態(tài)性能,，優(yōu)化電堆輸出性能。

3,、  完善電堆性能檢測(cè)手段和方法,，實(shí)現(xiàn)電堆性能的在線檢測(cè)和在線評(píng)價(jià)。

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(shí)訓(xùn)裝置系列產(chǎn)品