BPTEP-FD型 燃料电池发电全检测型实验系统

本实验平台主要用于研究风冷型质子交换膜燃料电池堆的性能检测方法、控制策略、性能评价方法。实现燃料电池发电系统参量的全检测，对影响电堆电气输出特性的重要参数进行监控，与上位机之间的数据传输。在此基础上，研究不同操作条件下电堆输出性能变化趋势，改进控制算法，提高系统控制性能；优化电堆运行的操作条件，提高系统的发电效率。

定位及特色：

1、  实现燃料电池系统的电压、电流、功率、氢气流量、氢气压力、电堆温度、风扇电压、环境温度的检测与显示。

2、  实现电堆温度和尾气排放控制。

3、  制定燃料电池性能测试规则，建立电堆性能评价模型。

4、  设计制作全检测型燃料电池性能分析实验系统平台。

5、  电堆功率100W，仪表由系统独立12V供电，系统耗氢1.5L/min，Labview显示界面编程。

6、  线性负载60W、可选电子负载300W、阻性负载（LED阵列）50W。

能开展的主要实验：

1、  线形负载和灯泡负载电堆性能实验

2、  电堆温度寻优实验

3、  电堆温度控制实验

4、  氢气压力控制实验

5、  电堆湿度控制实验

6、  电堆性能检测实验

7、  不同操作条件的电堆性能变化实验

一、           实验台设计的目的与功能

本实验平台主要用于研究风冷型质子交换膜燃料电池堆的性能检测方法、控制策略、性能评价方法。实现燃料电池发电系统参量的全检测，对影响电堆电气输出特性的重要参数进行监控。在此基础上，研究不同操作条件下电堆输出性能变化趋势，改进控制算法，提高系统控制性能；优化电堆运行的操作条件，提高系统的发电效率。

二、           系统组成

燃料电池发电系统主要由500W风冷型质子交换膜燃料电池堆、供气单元、电力电子转换单元、控制单元、负载实验单元、系统控制分析软件六部分组成。

控制单元

百瓦级风冷型燃料电池教学－科研实验平台系统组成示意图

百瓦级风冷型燃料电池教学实验平台

三、           系统硬件配置

百瓦级风冷型燃料电池教学/科研实验台主要硬件配置如表一所示：

四、           系统实验设计

本实验平台从燃料电池堆的输出性能检测、控制和性能评价方面，将实验分为六个大类，教师和研究人员可在此原则下，自行设计验证性实验、综合性实验。研究人员可根据自己的研究方向，在此基础上自行开发专门实验。

1、  电堆温度寻优实验

风冷型燃料电池堆的工作温度，不仅受到电堆本身发电放热的影响，也由于空气供气方式，受到环境温度的影响。同时，负载变化导致的电堆输出功率变化，也会影响电堆内部的反应环境。因此，决定电堆输出性能的关键控制量－工作温度，因此，在不同环境温度和负载变化下，确定最佳的温度设定值，能够获得最佳的输出性能，提高发电系统效率。本实验的目的在于，利用实验数据，建立电堆最优工作温度模型，为电堆温度控制提供设定值。

2、  电堆温度控制实验

电堆温度不但影响化学反应活度，同时影响电堆内部的湿度，反应的生成物－水，是由气、液两相组成，温度过高会导致膜失水，温度过低会引起电极淹没，最终造成电堆输出性能下降。因此，电堆工作温度控制是控制系统最主要的功能之一。本实验的目的在于，在实验（1）的基础上，设计控制算法，使电堆的工作温度具有良好的动态和稳态特性，保证电堆输出性能最优。

3、  氢气压力控制实验

燃料电池堆是一种氢能发电装置，氢气压力的变化直接影响电堆的输出性能。同时，过高的氢压（尤其在与空气供气压力失配的情况下），容易造成质子膜破损；过低的氢压，容易引起空气侧串气，损坏单池阳极。因此，氢气压力控制是保护电堆运行安全的重要组成部分，也是保证电堆输出性能良好的关键所在。本实验的目的在于，设计控制算法，保证氢气压力稳定，电堆输出性能最优，并在氢瓶供气压力低时，给出报警信号，保护电堆不被损坏。

4、  电堆湿度控制实验

电堆内的湿度与质子膜的水饱和程度有着密切关系，质子的导通能力直接决定电子的产生速度。因此，适当的湿度是影响电堆输出性能的另一个重要参数。大功率规模的水冷型电堆都有预热增湿装置，保证进入电堆的燃料气体和氧化气体有一定的温度和湿度，使电堆具有良好的启动特性和输出性能。由于增加预热增湿和循环冷却装置，相应加大了成本，并使系统体积过于庞大，而1kW以下小功率系统大多要求作为易携带的独立电源，所以多用风冷型电堆。本实验目的在于，利用尾气排放方式控制电堆内湿度，设计控制算法，调节电磁阀开闭周期和PWM波占空比，保证电堆输出性能最优。

5、  电堆性能检测实验

电堆的输出性能可由不同负载变化下的电流－电压曲线（V-I曲线）和功率－电流曲线（P-I曲线）来表征。本实验的目的在于，通过控制电堆温度、氢气压力和尾气排放周期，在定电流、定电压、定功率模式下，获得电堆在单一操作条件下的性能曲线，研究曲线变化形状，拐点位置和线性度，可以定性分析电堆反应的极化段、欧姆段和浓差段的特性。

6、  不同操作条件的电堆性能变化实验

电堆工作温度、氢气供气压力和尾气排放周期，可称为燃料电池发电系统的操作条件。在不同的操作条件下，电堆的输出性能曲线也不同。本实验的目的在于，利用控制手段，获得不同操作条件下的电堆性能曲线，对其形状、拐点位置和线性度的变化进行比较，定性分析各操作条件下电堆输出性能的优劣。

五、           系统控制分析软件说明

本系统控制分析软件功能包括：

电堆工作温度、环境温度、风扇电压、氢气供气压力、电堆输出和负载消耗电流、电压、功率等参数的显示；

负载实验方式、控制参数（包括设定温度、设定压力、电磁阀通断时间、报警限值、定电流、定电压、定电阻、定功率设定值、控制器参数等）的设定；

不同操作条件下的电堆输出性能检测，V-I、P-I、P-V的动态变化曲线显示；

电堆温度、氢气供气压力、空气供气风扇电压和尾气排放周期控制；

1、  不同操作条件下，电堆性能曲线比较。

图1 工艺流程指示和参数显示界面          图2 电堆工作温度实时控制界面

图3 电堆输出性能V-I曲线动态显示          图4 不同工作温度下电堆V-I曲线比较

六、           系统的功能扩展

1、  不同结构风冷型质子交换膜燃料电池堆，操作条件优化研究，提高发电系统效率。

2、  改进控制算法，提高控制系统稳态、动态性能，优化电堆输出性能。

3、  完善电堆性能检测手段和方法，实现电堆性能的在线检测和在线评价。

4、  在上述研究的基础上，开展电堆性能的故障诊断研究。