燃料電池發電全檢測型實驗系統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。實現燃料電池發電系統參量的全檢測，對影響電堆電氣輸出特性的重要參數進行監控，與上位機之間的數據傳輸。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，提高系統控制性能；優化電堆運行的操作條件，提高系統的發電效率。

燃料電池發電全檢測型實驗系統2|燃料電池技術及應用實訓裝置定位及特色：

1、  實現燃料電池系統的電壓、電流、功率、氫氣流量、氫氣壓力、電堆溫度、風扇電壓、環境溫度的檢測與顯示。

2、  實現電堆溫度和尾氣排放控制。

3、  制定燃料電池性能測試規則，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平臺。

5、  電堆功率100W，儀表由系統獨立12V供電，系統耗氫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。實現燃料電池發電系統參量的全檢測，對影響電堆電氣輸出特性的重要參數進行監控。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，提高系統控制性能；優化電堆運行的操作條件，提高系統的發電效率。

二、           系統組成

燃料電池發電系統主要由500W風冷型質子交換膜燃料電池堆、供氣單元、電力電子轉換單元、控制單元、負載實驗單元、系統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－科研實驗平臺系統組成示意圖

百瓦級風冷型燃料電池教學實驗平臺

三、           系統硬件配置

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。研究人員可根據自己的研究方向，在此基礎上自行開發專門實驗。

1、  電堆溫度尋優實驗

風冷型燃料電池堆的工作溫度，不僅受到電堆本身發電放熱的影響，也由于空氣供氣方式，受到環境溫度的影響。同時，負載變化導致的電堆輸出功率變化，也會影響電堆內部的反應環境。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，提高發電系統效率。本實驗的目的在于，利用實驗數據，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和穩態特性，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

電堆內的濕度與質子膜的水飽和程度有著密切關系，質子的導通能力直接決定電子的產生速度。因此，適當的濕度是影響電堆輸出性能的另一個重要參數。大功率規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冷卻裝置，相應加大了成本，并使系統體積過于龐大，而1kW以下小功率系統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濕度，設計控制算法，調節電磁閥開閉周期和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，可稱為燃料電池發電系統的操作條件。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劣。

五、           系統控制分析軟件說明

本系統控制分析軟件功能包括：

電堆工作溫度、環境溫度、風扇電壓、氫氣供氣壓力、電堆輸出和負載消耗電流、電壓、功率等參數的顯示；

負載實驗方式、控制參數（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曲線動態顯示          圖4 不同工作溫度下電堆V-I曲線比較

六、           系統的功能擴展

1、  不同結構風冷型質子交換膜燃料電池堆，操作條件優化研究，提高發電系統效率。

2、  改進控制算法，提高控制系統穩態、動態性能，優化電堆輸出性能。

3、  完善電堆性能檢測手段和方法，實現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品