1.5KW水冷型燃料電池科研實驗臺|燃料電池技術(shù)及應(yīng)用實訓(xùn)裝置

實驗臺設(shè)計的目的與功能

本實驗平臺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、1.5KW水冷型燃料電池科研實驗臺|燃料電池技術(shù)及應(yīng)用實訓(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)載實驗單元、系統(tǒng)控制分析軟件八部分組成。

千瓦級水冷型燃料電池教學(xué)－科研實驗平臺系統(tǒng)組成示意圖

千瓦級水冷型燃料電池教學(xué)－科研實驗平臺

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，將實驗分為十一個大類，教師可在此原則下，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、  電堆工作溫度尋優(yōu)實驗

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，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，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。本實驗的目的在于，通過實驗，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)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、  空氣壓力控制實驗

本實驗與實驗（3）的目的相同，設(shè)計控制算法，保證空氣供氣壓力穩(wěn)定。對于用氣泵或空氣壓縮機等作為供氣設(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)實驗

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，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，是一個非常復(fù)雜的問題。本實驗的目的在于，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)增濕實驗

對于大功率的水冷電堆，尤其在高功率輸出時，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，需要對氫氣側(cè)進(jìn)行預(yù)熱增濕。本實驗的目的在于，通過調(diào)節(jié)氫氣預(yù)熱增濕溫度和進(jìn)氣流量，提高氫氣的相對濕度，改善電堆的輸出性能。

7、  電堆空氣側(cè)增濕實驗

與氫氣側(cè)相比，空氣側(cè)的預(yù)熱增濕更為重要，這是因為空氣流量比氫氣流量大很多，對堆內(nèi)的濕度影響更大。在實驗（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)氣相對濕度，提高電堆的輸出性能。

8、  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。本實驗?zāi)康脑谟?，利用尾氣排放方式控制電堆?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*。

9、  單電池電壓巡檢實驗

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，利用所設(shè)計的多通道電壓巡檢裝置在線檢測單電池電壓，監(jiān)控電堆的書輸出性能。

10、              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。

11、              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：

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；

3、  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；

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；電堆輸出性能評價。

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