燃料电池多性能测试实验

燃料电池（FUEL CELL）是一种在等温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效而与环境友好的转化为电能的发电装置。它是人类所掌握的继水力、火力、核能之后的第四代发电技术。燃料电池用途十分广泛，既可应用于军事、空间、发电厂领域，也可应用于机动车、移动设备、居民家庭等领域。本实验主要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，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。

实验目的

⒈  掌握燃料电池的化学能量转换原理

⒉  了解燃料电池的优缺点

⒊  通过实验了解燃料电池转化为电能后与阻性负载的关系。

⒋  掌握燃料电池的化学能量转换成电能后的电源性质

实验原理

燃料电池电堆是本实验系统的核心部件，主要组成如下图：

(1) 燃料电池正极（红色）：连接到控制板上。

(2) 燃料电池负极（黑色）：连接到负载及控制板上。

(3) 氢气进气口：氢气通过此口进入燃料电池堆，参与电化学反应。

(4) 氢气排气口：反应后的尾气及水通过此口排出。

(5) 风扇：用于控制燃料电池堆反应时的温度。

(6) 氢气排气口软管（配件）：连接氢气排气口与电磁阀。

(7) 氢气进气口软管（配件）：连接氢气进气口与供氢管。

(8) 排气口电池阀：用于控制燃料电池尾气及水的排放。

燃料电池电堆运行温度参数

燃料电池电堆性能曲线图

燃料电池运行环境说明

(1) 燃料电池系统运行推荐工作环境：温度： 15℃ -30℃；相对湿度：30%-90%。

(2) 燃料电池均为自增湿燃料电池，工作时所需的氧气来自空气。所以使用燃料电池时，将燃料电池置于通风良好的地方可以获得更加良好、稳定的性能。同时，不建议将燃料电池置于空气流动速度过快的地方，以免影响燃料电池正常使用。

(3) 由于空气中的氮氧化物和二氧化硫妨碍催化和降低燃料电池的输出性能，不要将燃料电池置于空气污染严重的环境操作。

(4) 出于安全性的考虑，不建议在狭小的密闭空间操作燃料电池。因为一旦氢气泄露极有可能酿成危险。同时请不要靠近火源操作燃料电池系统。

(5) 考虑到电磁干扰的因素，燃料电池控制板应远离电磁干扰源。控制板与电磁干扰源的距离应当超过 30cm。

本实验平台工作原理如下图所示：

燃料电池专用控制器发出控制指令控制冷却风扇和排气阀，以此保证燃料电池的正常发电，同时，采集电流传感器和温度传感器采集到的燃料电池负载电流和内部温度；DSP控制器与燃料电池专用控制器之间建立CAN总线通讯，通过发送控制指令实时控制燃料电池运行在自动、手动、恒温等控制模式，并实时反馈燃料电池的负载电流、温度、风机开度值；DSP控制器与上位机计算机之间建立RS232总线通讯，实时响应用户的控制指令，并反馈燃料电池的各种状态、参数信息；同时，DSP控制器实时采集燃料电池电压、氢气流量、排气湿度、氢气压力等传感信息，并通过控制负载继电器使能/关闭燃料电池的负载输出；上位机主控计算机与电子负载之间建立RS232总线通讯，通过发送各种通讯协议控制电子负载以恒电压、恒电流、恒电阻、恒功率等方式运行，以此实现对负载的调节；上位机主控计算机与传感器仪表之间建立RS485总线通讯，仪表实时显示燃料电池当前的压力、流量和湿度信息。

燃料电池专业控制系统，用于控制燃料电池的电压、电流、温度等关键性能参数。

(1) 负载、电池堆连接口：用于连接燃料电池堆与负载。一共3 个连接口，分别为BT-接口(用黑色导线连接至燃料电池堆负极)；LOAD+接口(用红色导线连接至负载正极)；BT+接口(用红色导线连接至燃料电池正极)。

(2) 风机电源连接口：用于连接风扇，给风扇供电。一共2 个接口，分别为PWM 接口(用蓝色导线连接至风扇负极)及12V 接口(用红色导线连接至风扇正极)。

(3) 电磁阀电源控制连接口：用于连接排气口电池阀，给电磁阀供能并控制电磁阀的开关频率。一共有2 个接口，分别为K0 接口及12V 接口，通过2 根细导线连接到排气口电磁阀。

(4) 数据传输口：将控制板收集到的关键数据通过该接口上传到远端监控终端。一共2个接口，分别为H 接口和L 接口。

(5) 温度传感器接口：用于连接至燃料电池中的温度传感器，感知燃料电池堆的温度。一共2 个接口，T0（接温度传感器正极）及SGND（接温度传感器负极）。

实验装置

本实验平台主要由100W 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。

1. 100W 风冷型质子交换膜燃料电池堆

100W 风冷型质子交换膜燃料电池堆配置如下：

2.供气单元

本实验平台供气单元主要由 4L储气瓶和浓度为99.999%的氢气组成。当瓶体充满氢气后为9.5MPa(即可储存 400L氢气)，使用压力下限为0.5MPa。瓶体内氢气指标为：O2≤1ppm, N2≤5 ppm, CO≤1 ppm, CO2≤1 ppm, CH4≤1 ppm, H2O≤3 ppm。

3. 控制单元

本实验平台控制单元主要分为基于Labview开发平台的上位机计算机系统、DSP主控制器系统和燃料电池专业控制器系统。其中，上位机计算机系统主要用于显示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；DSP主控制系统主要用于采集各种传感器信号和对燃料电池专业控制器的控制以及对燃料电池的保护；燃料电池专业控制器主要用于控制燃料电池的冷却风扇、排气阀。

4. 负载实验单元

 本实验平台负载实验单元主要由电子负载和各种阻性/感性演示负载组成。其中，电子负载采用高性能芯片， 高速,高精度设计,提供0.1mV,0.01mA的解析度(基本精度为0.03%， 基本电流上升速度 2.5A/us）, 外观新颖,生产工艺科学严谨，相比同类产品，更具性价比。广泛用于生产线（手机充电器，手机电池，电动车电池，开关电源，线性电源），科研机构，汽车电子，航空航天， 船舶，太阳能电池，燃料电池等行业。 具备以下特点：

(1) 恒流， 恒阻， 恒压，恒功率， 恒流+恒压， 恒阻+恒压， 六种高速动作模式；

(2) 过流， 过压， 过功率， 过热，极性反接保护；

(3) 高亮度，真空，VFD屏， 双排，四路同步显示；

(4) 根据温度变化，无极伺服， 智能风扇系统；

(5) 电路软启动时间设定， 可根据设定电压值带载；

(6) 电池测试及短路功能；

(7) 提供动态测试，上升下降斜率设定；

(8) 提供任意波形编辑能力（LIST功能）；

(9) 支持自动测试功能

(10)支持外部触发输入， 输出；

(11)提供外部电流波形监视端子；

(12)支持远端电压补偿， 多个数据存储；

(13)开机自检， 软件校正， 标准仪器架设计；

(14)支持GPIB,RS232, RS485, USB通讯。

5. 控制系统分析软件单元

本系统控制分析软件功能包括：

(1) 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；

(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、氢气供气压力、空气供气风扇电压和尾气排放周期控制。

6. 燃料电池发电全检测系统实验平台操作面板

上图所示，燃料电池试验台左边部分是试验负载部分和电子负载，用户可以在运行燃料电池的时候，通过左边面板上的负载控制来做一些演示实验，并通过电脑和数字表来观察燃料电池各个参数的变化；试验台的中间部分包含了电压表、电流表和功率表，电脑显示器和主机用以监控整套系统采集的数据，并且控制燃料电池的风机开度，放气周期以及打开/关闭负载；右边部分主要是燃料电池工作区域，氢气瓶为燃料电池提供氢气，减压阀用以降低氢气从瓶子释放出来的压力，流量计采集每分钟氢气的排气量，湿度传感器检测燃料电池中的湿度。 采集到湿度、流量和压力数据发送给电脑，电脑通过软件LABVIEW进行数据处理后，发送给燃料电池上方的三块数显模块。

实验步骤

（1）    接通实验台左侧电源线，打开空气开关，为实验台送电。

（2）    打开氢气瓶顶部阀门，顺着“OPEN”方向旋转，旋转至不能旋转为止。

调节氢气出口压力，顺着“开”方向旋转，将压力调节至0.2MPA，燃料电池开始工作。

（3）    打开电脑，打开桌面上“燃料电池仿真软件”，程序自动运行。

（4）    按下实验台面板上“燃料电池输出”按钮，并打开电子负载

（5）    点击仿真软件上“打开负载”按钮实验台面板上显示数值。

（6）    点击仿真软件上“电子负载控制”，进入电子负载控制面板。

（7）    点击“使能”按钮，在电流数值框内输入数值，点击“定电流”按钮，电子负载输入电流。

（8）    点击“读取当前数值”按钮，在数值框内可以读取当前定电流模式下的电压、功率和电阻值。

点击“关闭”按钮，将燃料电池恢复正常工作模式。

思考题

1、思考温度和放气周期对燃料电池（电流值，电压和功率）的影响？

2、通过实验观察，你认为燃料电池电性能测量的主要误差来源是什么？为提高测量精度需做哪些改进？