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。

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：

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 : 3.0～8.0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-I、P-I、P-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。

图1 工艺流程指示和参数设置界面            图2 单电池电压巡检界面

图3 预热增湿温度控制界面                图4 电堆工作温度控制界面

图5 电堆反应气体压力控制界面输出        图6 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。