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  • 1.5KW水冷型燃料电池科研实验台
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1.5KW水冷型燃料电池科研实验台
  
1.5KW水冷型燃料电池科研实验台
  • 型号:
  • 品牌:上海标普
  • 行业:新能源教学设备
  

 实验台设计的目的与功能

本实验平台主要用于研究水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1500W水冷型质子交换膜燃料电池堆、供气单元、增湿加热单元、循环冷却单元、电力电子转换单元、控制单元、负载实验单元、系统控制分析软件八部分组成。

Hydrogen

Air

Exhaust gas

燃料电池堆

254

负载实验单元

DC

DC

电力电子转换单元

控制单元

预热增湿单元

氢瓶

气泵

循环水泵

换热器

循环冷却单元

系统控制与分析软件

千瓦级水冷型燃料电池教学-科研实验平台系统组成示意图

  

千瓦级水冷型燃料电池教学-科研实验平台

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:

表一:百瓦级风冷型燃料电池教学/科研实验台硬件配置表

组件名称

组件规格

作用说明

发电

单元

PEM水冷型燃料电池堆

1500W/36V/45A

发电装置

氢气集装格

4/格;40L/瓶;

15MPa

氢气供给

气泵

120slpm

空气供给

预热增湿单元

空气预热增湿装置

相对湿度:50%-100%

加热温度:40-100

空气预热增湿

氢气预热增湿装置

氢气预热增湿

循环

冷却

单元

循环冷却水泵

0-50L/min

冷却水循环

板式换热器

3m3/h

循环水一级冷却

冷却风扇

24V/1.36A

循环水二级冷却

控制

单元

工业控制机

发电过程监控

32通道单电池电压巡检仪

0.4-1.5A

单电池电压检测

数据采集卡

信号采集与控制

转换

单元

DC/DC电源模块

DC24V/48V

电力电子转换,负载供电

DC/AC电源模块

AC110V/220V

电堆输出电流表

DC24V/AC220V供电

0-100A

DC24V/AC220V供电

0-100V

DC24V/AC220V供电

0-2000W

电参量检测

电堆输出电压表

电堆输出功率表

负载消耗电流表

负载消耗电压表

负载消耗功率表

电堆入口氢气温度

25-65

温度参量检测

电堆入口空气温度

25-65

尾气排放温度

40-70

氢气增湿温度

25-85

空气增湿温度

25-85

环境温度

8-35

电堆入口冷却水温度

20-45

电堆出口冷却水温度

20-45

换热器出口冷却水温度

20-45

电堆入口氮气压力

0.1MPa-0.5MPa

压参量检测力

电堆入口氢气压力

0.1MPa-0.5MPa

电堆入口空气压力

0.1MPa-0.5MPa

循环冷却水泵前压力

0.1MPa-0.3MPa

循环冷却水泵后压力

0.1MPa-0.5MPa

尾气排放压力

0.05MPa-0.2MPa

电堆入口氢气流量

0-20L/min

流量参量检测

电堆入口空气流量

0-100L/min

循环冷却水流量

0-30L/min

线性电阻负载

1Ω- 10000Ω0-100A

定电流模式实验

灯泡负载

0 W –1500W

定功率模式实验

电子负载

输入:0-60V

0-240A0-1500W

定电流模式实验

定电压模式实验

定功率模式实验

定电阻模式实验

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,将实验分为十一个大类,教师可在此原则下,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、  电堆工作温度寻优实验

水冷型燃料电池堆的工作温度,主要受到电堆本身发电放热,反应气体预热增湿的影响。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,电堆工作温度是输出性能控制的关键。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,通过实验,建立不同功率输出下的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、  空气压力控制实验

本实验与实验(3)的目的相同,设计控制算法,保证空气供气压力稳定。对于用气泵或空气压缩机等作为供气设备,则要建立设备转速、空气流量和压力之间的关系模型,保证在不同功率输出下,控制转速,保证空气供气压力稳定。此外,空气压力与氢气压力具有一定范围的比值关系(在1.0 : 1.3之间),所以反应气体压力控制实际是一种比值控制。

5、  氢气和空气的化学反应比例系数实验

在化学反应中,氢气和氧气的化学反应比为2 : 1,但在以空气为氧化气体时,化学反应比可在1 : 3.08.0之间变化,比例系数的改变直接影响电堆内部的化学反应速度和质子膜水饱和度,间接影响电堆的输出性能,是一个非常复杂的问题。本实验的目的在于,调整化学反应比例系数,使空气供气处于“过剩”、“正常”、“缺乏”三种阶段,观察电堆性能的变化。

6、  电堆氢气侧增湿实验

对于大功率的水冷电堆,尤其在高功率输出时,电堆内部的湿度环境是非常重要的,它一方面决定了输出性能,另一方面影响电堆的使用寿命。因此,为了保证堆内的湿度环境,需要对氢气侧进行预热增湿。本实验的目的在于,通过调节氢气预热增湿温度和进气流量,提高氢气的相对湿度,改善电堆的输出性能。

7、  电堆空气侧增湿实验

与氢气侧相比,空气侧的预热增湿更为重要,这是因为空气流量比氢气流量大很多,对堆内的湿度影响更大。在实验(7)的基础上,调节空气预热增湿温度和空气进气流量,控制空气进气相对湿度,提高电堆的输出性能。

8、  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。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。

9、  单电池电压巡检实验

电堆输出性能的好坏可以由各单电池的输出电压直接表现出来,利用所设计的多通道电压巡检装置在线检测单电池电压,监控电堆的书输出性能。

10、              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。

11、              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:

1、  电堆工作温度、冷却水进/出口温度、预热增湿温度、氢气/空气供气压力、尾气排放压力、电堆输出和负载消耗电流、电压、功率等参数的显示;

2、  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;

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

4、  电堆温度控制、氢气/空气供气压力控制、循环冷却水温度/流量控制、尾气排放压力/周期控制;

5、  不同操作条件下,电堆性能曲线比较;电堆输出性能评价。

     

工艺流程指示和参数设置界面            单电池电压巡检界面

   

预热增湿温度控制界面                电堆工作温度控制界面

   

电堆反应气体压力控制界面输出        电堆尾气排放周期控制界面

六、           系统的功能扩展

1、  不同结构水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。



1、什么是化工原理、化工工艺类教学实训设备?    
  答:化工原理类教学实训设备是指化工原理和化工工艺及化工生产单元、过程装备与控制过程工艺的教学实训设备。 
  化学工程学及其进展化学工程学专业, 是以化学、物理和数学原理为基础,研究物料在工业规模条件下,它所发生物理或化学状态变化的工业过程及这类工业过程所用装置的设计和操作的一门技术学科。化学工程学的进展:三阶段:单元操作:20世纪初期。单元操作的物理化学原理及定量计算方法,奠定了化学工程做为一门独立工程学科的基础。 "三传一反"概念:20世纪60年代多分支:20世纪60年代末。形成了单元操作、传递过程、反应工程、化工热力学、化工系统工程、过程动态学及控制等完整体系。   
  化工教学设备是以流体流动、传热及传质分离为重点,论述了化工、石油、轻工、食品、冶金工业等的典型过程原理及应用。教学实训内容包括流体流动原理及应用(流体流动及输送机械)、传热原理及应用(传热理论及设备)、传质原理及应用(蒸馏、吸收、萃取及相应设备)、固体颗粒流体力学基础与机械分离、固体干燥、其他单元(蒸发、结晶、吸附、混合、膜分离)等专业课程配套的相关类教学实训装置。广泛应用于大专院校、大学、研究生、企业技工培训以化工科研主课题的研究和教学培训。是面向高等院校、职业技术学校、本科生、研究生深刻理解化工原理的实验教学平台。
2、如何规划我校的化工原理、化工工艺实训实验室?
  答:建设化工原理相关实训室的主要目的是培养学生实践能力和创新能力,提高学生的综合素质。我厂有专业的化工原理、化工工艺实训室建设技术工程师帮你推荐最新,最全面的化工原理实验室建设的方案:包括化工原理专业实验室建设方案,精细化工实验室方案,化工仿真实训实验室方案,化工管路拆装实验室方案,化工工艺实训实验室方案,化工工艺分析与检验实验室方案,化工总控实训室建设方案,化工电气自动化实验室方案,化工仪表,工程控制实验室方案,化工单元操作技能实训室方案,日用化工工艺实训实验室建设方案,应用化工技术实训室建设方案,化学工程与工艺应用实验室建设方案,能源化工(化工利用技术)专业实验室方案,化工仪表自动化实训室方案,化工单元操作技能实训室方案,过程装备与控制过程工程专业教学实验室方案,雷诺演示实验装置教学实验室方案,能量转化演示实验装置(柏努利方程)实验室方案,单相流动阻力测定实验装置建设方案,流量计性能测定实验装置实验室,离心泵性能测定实验装置实验室,离心泵计算机数据采集和过程控制实验装置建设方案,化工流体过程综合实验装置建设方案,化工传热综合实验装置建设方案,传热综合实验计算机数据采集和控制实验装置建设方案,洞道干燥实验装置建设方案,洞道干燥器计算机数据采集和过程控制实验装置建设方案,流化床干燥操作实验装置建设方案,搅拌器性能测定实验装置实验室建设方案,恒压过滤常数测定实验装置(真空过滤)实验室建设方案,恒压过滤常数测定实验装置(板框过滤)实验室建设方案,旋风分离器演示实验装置实验室建设方案,二氧化碳吸收实验装置实验室建设方案,填料吸收塔实验装置实验室建设方案,萃取塔实验装置实验室建设方案,脉冲萃取塔实验装置实验室建设方案,振动萃取塔实验装置实验室建设方案,精馏塔实验装置实验室建设方案,连续精馏计算机数据采集和过程控制实验装置实验室建设方案,填料精馏塔实验装置实验室建设方案,板式塔操作演示实验装置实验室建设方案,超滤膜、反渗透膜分离实验装置(多功能膜分离实验装置)实验室建设方案,中空纤维超滤膜分离实验装置实验室建设方案,计算机控制多釜串联返混性能测定实验装置实验室建设方案,反应精馏装置实验室建设方案,共沸精馏装置实验室建设方案,萃取精馏装置实验室建设方案,过程装备与控制综合实验装置(过程装备与控制工程专业基本实验综合装置)实验室建设方案,换热过程设备及控制综合实验装置(过程设备与控制多功能综合实验装置)实验室建设方案,活塞式压缩机实验装置实验室建设方案,薄壁容器应力测定实验装置实验室建设方案,安全阀泄放性能测定实验装置实验室建设方案,外压容器稳定性测定实验装置实验室建设方案,高压圆筒形容器爆破实验装置实验室建设方案,压缩机拆装实验设备实验室建设方案,离子交换实验装置实验室建设方案,流线演示仪实验室建设方案,单管升膜蒸发实验装置实验室建设方案,二元系统汽—液平衡数据测定试验装置实验室建设方案,三元液—液平衡数据测定试验装置实验室建设方案,光化学反应装置实验室建设方案,气-液-固流态化实验装置实验室建设方案,乙苯脱氢反应综合实验装置实验室建设方案,釜式反应实验装置实验室建设方案,内循环无梯度反应加压实验装置实验室建设方案,连续循环反应器返混性能测定装置 实验室建设方案等
3、怎么样订货?有没有样品?    
  答:我厂专业销售工程师根据客户需求提供可行性建设配置方案,双方确认后,签署技术协议和商务供货合同,合同确定后,校方支付定金后我厂生产—发货—安装培训调试。一般教学设备产品大多是非标类产品,我厂样品室有部分样品可供用户参观,但不是所有产品都有样品,本厂可按照校方需求定制各类化工原理类教学设备。
4、关于运费    
  答:鉴于货物较大,建议使用公路物流运输,本厂负责协同专业的物流公司配送,直接可送货上门,并承担运输、保险及所有因运输而发生的费用。
5、能不能不支付定金生产发货    
  答:不行,本公司曾采取过不付定金的方式,但也有些客户在我们生产发货之后突然改变主意,取消订货。我们只能将货物托运回来,这样我们白白损失两面运费及前期所投入生产的成本,因此,30%定金体现客户购买的诚意。
6、 网上那么多不诚信企业,你们值得信赖吗?    
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7、你们的产品质量有保障吗?    
  答:我们的所有产品都按照国家教育部教学大纲、劳动部技能鉴定中心化工实训规范设计,严格按照国际ISO9001质量体系生产。我公司产品已全面通过在质量,安全,环保上认证。
8、售后服务怎么样?    
  答:我们的产品均免费保修六年,终身质保。我们有专业的维护人员,全天候24小时保障设备的正常运行,在保修期内,可提供原厂零部件,免费上门更换服务,
 
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