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 實驗臺設計的目的與功能

本實驗平臺主要用于研究水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1500W水冷型質子交換膜燃料電池堆、供氣單元、增濕加熱單元、循環冷卻單元、電力電子轉換單元、控制單元、負載實驗單元、系統控制分析軟件八部分組成。

千瓦級水冷型燃料電池教學－科研實驗平臺系統組成示意圖

千瓦級水冷型燃料電池教學－科研實驗平臺

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，將實驗分為十一個大類，教師可在此原則下，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、  電堆工作溫度尋優實驗

水冷型燃料電池堆的工作溫度，主要受到電堆本身發電放熱，反應氣體預熱增濕的影響。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，電堆工作溫度是輸出性能控制的關鍵。在不同環境溫度和負載變化下，確定最佳的溫度設定值，能夠獲得最佳的輸出性能，提高發電系統效率。本實驗的目的在于，通過實驗，建立不同功率輸出下的電堆最優工作溫度模型，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，最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最主要的功能之一。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，保證電堆輸出性能最優。

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，電堆輸出性能最優，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、  空氣壓力控制實驗

本實驗與實驗（3）的目的相同，設計控制算法，保證空氣供氣壓力穩定。對于用氣泵或空氣壓縮機等作為供氣設備，則要建立設備轉速、空氣流量和壓力之間的關系模型，保證在不同功率輸出下，控制轉速，保證空氣供氣壓力穩定。此外，空氣壓力與氫氣壓力具有一定范圍的比值關系（在1.0 : 1.3之間），所以反應氣體壓力控制實際是一種比值控制。

5、  氫氣和空氣的化學反應比例系數實驗

在化學反應中，氫氣和氧氣的化學反應比為2 : 1，但在以空氣為氧化氣體時，化學反應比可在1 : 3.0～8.0之間變化，比例系數的改變直接影響電堆內部的化學反應速度和質子膜水飽和度，間接影響電堆的輸出性能，是一個非常復雜的問題。本實驗的目的在于，調整化學反應比例系數，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，電堆內部的濕度環境是非常重要的，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，為了保證堆內的濕度環境，需要對氫氣側進行預熱增濕。本實驗的目的在于，通過調節氫氣預熱增濕溫度和進氣流量，提高氫氣的相對濕度，改善電堆的輸出性能。

7、  電堆空氣側增濕實驗

與氫氣側相比，空氣側的預熱增濕更為重要，這是因為空氣流量比氫氣流量大很多，對堆內的濕度影響更大。在實驗（7）的基礎上，調節空氣預熱增濕溫度和空氣進氣流量，控制空氣進氣相對濕度，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。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，保證電堆輸出性能最優。

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出來，利用所設計的多通道電壓巡檢裝置在線檢測單電池電壓，監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。

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：

1、  電堆工作溫度、冷卻水進/出口溫度、預熱增濕溫度、氫氣/空氣供氣壓力、尾氣排放壓力、電堆輸出和負載消耗電流、電壓、功率等參數的顯示；

2、  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；

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設置界面            圖2 單電池電壓巡檢界面

圖3 預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、           系統的功能擴展

1、  不同結構水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。