一、概述:
質子交換膜燃料電池是一種將燃料氫氣作為還原劑與空氣中的氧氣作為氧化劑進行電化反應，并將化學能直接轉換成電能的高效發(fā)電裝置（化學反應式為H2＋1/2O2® H2O）。燃料電池可以作為發(fā)電站或車輛的動力源。燃料電池與內燃機相比，最突出的優(yōu)點是高的能量轉化效率和極低的環(huán)境污染，在現實生活中電能是一種清潔的能源，因此燃料電池輸出的是清潔的能源。
為響應國家節(jié)能減排號召，促進新能源生力軍健康、和諧發(fā)展，針對廣大院校需求，我司研制并生產了《燃料電池發(fā)電教學實訓系統(tǒng)》。
應用范圍：主要面向職高、大學、研究生、以燃料電池發(fā)電為主課題的研究和培訓。
系統(tǒng)由自吸式PEM燃料電池堆、金屬氫化物氫瓶及其組件燃料電池控制器、直流線性負載，交流線性負載，直流感性負載和測試儀表組成。
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編號 |
組件 |
說明 |
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1 |
自吸式PEM燃料電池堆 |
用來作為電能的輸出 |
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2 |
金屬氫化物氫瓶及其組件 |
用來給燃料電池提供氫燃料 |
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3 |
線性負載電流表 |
用來測量直流負載電流 |
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4 |
線性負載電壓表 |
用來測量直流負載電壓 |
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5 |
交流電壓表 |
用來測量交流離網、并網運行過程中負載電壓 |
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6 |
交流電流表 |
用來測量交流離網、并網運行過程中負載電流 |
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7 |
計時器 |
用來累計氫瓶使用時間 |
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8 |
溫度表 |
用來反映電堆周圍環(huán)境溫度 |
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9 |
線性電阻負載箱 |
用來作為阻性負載 |
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10 |
電機/軸流風扇 |
用來作為感性負載 |
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編號 |
組件 |
說明 |
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1 |
DC/DC電源模塊（9V） |
儀表供電 |
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2 |
DC/DC電源模塊（12V） |
將燃料電池輸出波動直流電轉化為12V直流電 |
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3 |
燃料電池控制器 |
控制燃料電池風扇轉速和定時排氣 |
二、燃料電池測試和燃料電池管理：
1、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的熱管理和水管理
針對風冷型燃料電池堆，通過調節(jié)風扇電壓，改變風扇轉速，控制電堆溫度；針對水冷型燃料電池堆，通過調節(jié)循環(huán)水泵電壓，改變冷卻水流量，控制電堆溫度，實現電堆的熱管理。設定電磁閥開閉周期和占空比，調節(jié)尾氣排放量，控制電堆內部濕度，實現電堆水管理。
2、燃料電池堆的特性研究
應用所提供的線形負載（變阻器）和燈泡負載，通過觀察顯示儀表，初步了解電堆的電流、電壓和功率特性。利用所提供的電子負載，進行恒電流、恒電壓、恒功率和恒電阻實驗，繪制不同負載變化下的V－I和P－I曲線，研究電堆的輸出特性。燃料電池堆V－I曲線繪制，空冷型燃料電池堆V－I曲線。
3、燃料電池堆的性能優(yōu)化
調節(jié)精密減壓閥，控制氫氣進氣壓力；調節(jié)風扇電壓或冷卻水流量，控制電堆溫度；調節(jié)尾氣排放量。控制電堆濕度。通過比較不同功率變化下的V－I曲線，確定最優(yōu)操作條件，獲得相同系列電堆的最佳系統(tǒng)輸出性能曲線。
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編號 |
組 件 |
說 明 |
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1 |
電壓表1 |
用來測量LED燈組負載電壓 |
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2 |
電壓表2 |
用來測量電機負載電壓 |
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3 |
電壓表3 |
用來測量電阻性負載電壓 |
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4 |
儀表開關 |
用來控制儀表供電 |
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5 |
按鈕1 |
用來控制LED燈組（紅） |
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按鈕2 |
用來控制LED燈組（綠） |
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按鈕3 |
用來控制LED燈組（藍） |
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6 |
LED燈組 |
用來作為阻性負載（紅、綠、藍） |
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7 |
電機 |
用來作為感性負載 |
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8 |
直流輸出接口 |
輸出直流3.3V、5.0V、9V、12V |
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9 |
輸出開關 |
用來控制直流輸出電壓通斷 |
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10 |
電阻箱 |
用來作為線性負載 |
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11 |
燃料電池測試 |
燃料電池基本電功率實驗 |
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12 |
燃料電池輸出開關 |
打開后，燃料電池向負載輸出電能 |
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13 |
直流功率表 |
用來測量直接負載功率 |
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14 |
直流電壓表 |
用來測量直接負載電壓 |
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15 |
溫度表 |
用來反映電堆周圍環(huán)境溫度 |
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16 |
二級減壓閥 |
將0.4Mp～1.6Mp高壓轉成0.04～0.06Mp低壓，向電堆供應氫氣 |
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17 |
直流電流表 |
用來測量直接負載電流 |
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18 |
金屬氫氣瓶及其組件 |
用來給燃料電池提供氫燃料 |
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19 |
計時器 |
用來累計氫瓶使用時間 |
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20 |
自吸式PEM燃料電池堆 |
用來作為電能的輸出 |
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21 |
燃料電池控制器 |
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三、設備部件參數：
◆ 燃料電池
燃料電池是本教學平臺的核心組成部分，將氫瓶供給的氫氣轉換成電能，供負載使用。
產品優(yōu)勢:具有重量輕，體積小，便于攜帶；靜音設計；結構簡單，可靠性高：啟動速度快，響應時間短，適合于各種應用環(huán)境；環(huán)境適應性好，適應各種天氣變化；
其規(guī)格如下：
◆ 電池功率為50w；
◆ 開路電壓為15～30V；
◆ 工作電壓為11V時，電流為4.15A，電池溫度為41.5℃；
◆ 風機電壓為10.5V；
◆ 尾氣排放閥排氣間隔為12秒，每次排氣時間為0.3秒。
燃料電池安裝要注意通風，確?？諝忭槙沉魍?，有助與反應空氣的吸入和電池的散熱。安裝時將燃料電池平放，風扇朝上，散熱口朝下，尾氣排放口通過排氣管接電池閥，接上燃料氣瓶即可發(fā)電。
◆ 金屬氫化物氫瓶
◆ 金屬氫化物氫瓶用來給燃料電池供應燃料，其規(guī)格為：
◆ 貯氫容量（ 20℃）： 500L
◆ 放氫流速（ 20℃）： >5L/min
◆ 放氫壓力（ 20℃）： ≥0.3MPa
◆ 使用環(huán)境溫度：0～60℃
◆ 產品氫純度：99.99％～99.9999％
◆ 原料氫： ≥98％（普通工業(yè)氫）
◆ 充氫壓力：2.0～3.0MPa
◆ 充氫環(huán)境溫度：0～40℃
◆ 熱交換方式：空氣自然對流或強制對流
◆ 重量：4.5kg
◆ 外形尺寸：長420mm，直徑50mm
◆ 金屬氫化物氫瓶具體使用規(guī)則見附件B。
鋼瓶（帶減壓閥門和壓力表）
用來給金屬氫化物充氣，使用使要符合氫氣使用安全技術規(guī)程(GB 4962-85) 。
本實驗系統(tǒng)可以使用如下規(guī)格瓶裝氫氣：
◆ 容積：4L
◆ 壓力：15MPa
◆ 氫氣純度：99.999％高純氫
◆ 減壓器規(guī)格：最大輸入壓力（25MPa）最大輸出壓力（0.25MPa）
◆ 充氫具體操作見附件C。
儀表
電流表：本教學平臺共有2個電流表，量程和誤差分別為AC 5A和DC 20A±0.2％。用來測量燃料電池輸出總電流和交流電參數。
電壓表：本教學平臺共有2個電壓表，量程和誤差分別為AC 500V和DC 50V±0.2％。用來測量燃料電池輸出電壓、負載電壓和交流輸出電壓。
計時器：本教學平臺共有1個計時器，量程為100小時，主要用來累計氫瓶使用時間，以便準時充氣。當開啟電堆時按下計時器的計時按鈕，關閉電堆前按停止按鈕保存數據，清除累計時間可按清除按鈕。
溫度表：本教學平臺有1個溫度表，量程和誤差分別是-19.9～99.9℃和±1％。用來反映環(huán)境溫度。
負載
線性負載：是一個變阻箱，阻值變換范圍為0～1999歐姆，阻值最小變化值為0.1歐姆；最大可承受功率為10W。
感性負載：是一個額定電壓為12V,轉速為1440r/min的軸流風機。
DC/AC
本教學平臺共有7個DC/AC電源模塊:
1. DCW300-12S12（1個）：將燃料電池發(fā)出的直流19V電能轉換為AC220V±5％的交流電壓，為負載和其他供電。技術參數：輸入電壓范圍9～18V，輸出電壓Ac220V，輸出電流1.2A，輸出功率300W。
2. DCN200-12S09（1個）：將10-28V直流電壓轉換為186～260V±5％的交流電壓，向電網進行反向送電（并網）。
四、新能源燃料電池發(fā)電教學實訓臺技術參數：
◆ AC標準電壓范圍： 90V-140V/180V-260VAC
◆ AC頻率范圍： 55Hz~63Hz/45Hz~53Hz
◆ 輸出電流總諧波失真： THDIAC <5%
◆ 相位 差： <1%
◆ 島效應保護： VAC;f AC
◆ 輸出短路保護： 限流
◆ 顯示方式： LED
◆ 待機功耗： <2W
◆ 夜間功耗： <1W
◆ 環(huán)境溫度范圍： -25 ℃~60℃
◆ 環(huán)境濕度： 0~99%(Indoor Type Design)
緊急停止開關和漏電保護器
為了保護本教學平臺的重要部件，避免一些由于人為的操作失誤而導致的重大事故的發(fā)生，我們在電源前端重要部件前加入了緊急停止開關和漏電保護開關，
五、新能源燃料電池發(fā)電教學實訓臺實驗項目：
實驗1、燃料電池能量轉換原理實驗；
實驗2、反應條件對燃料電池堆性能影響實驗；
實驗3、燃料電池堆負載實驗；
實驗4、燃料電池堆在恒定負載條件下V-I、P-I特性實驗；
實驗5、燃料電池堆在變化負載條件下V-I、P-I特性實驗；
實驗6、電力電子轉換實驗；
實驗7、燃料電池驅動線性負載實驗；
實驗8、燃料電池驅動LED陣列實驗；
實驗9、燃料電池驅動電機實驗；
實驗10、燃料電池燃料電池對移動設備供（充）電實驗
實驗11、燃料電池燃料電池驅動感性負載實驗；
實驗12、燃料電池燃料電池驅動并網模塊并網實驗；
實驗13、線形負載和燈泡負載電堆性能實驗。
實驗14、恒值負載電堆性能實驗。
實驗15、不同溫度電堆性能曲線實驗。
實驗16、不同壓力電堆性能曲線實驗。
實驗17、不同尾氣排放量電堆性能曲線實驗。
實驗18、最佳電堆性能曲線實驗。
實驗19、不同類型電堆性能評價實驗。
六、基本配置：
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序號 |
名 稱 |
型 號 |
數 量 |
單 位 |
價 格 |
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1 |
教學系統(tǒng)主操作臺（立式或臺式） |
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1 |
臺 |
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2 |
50w自吸式PEM燃料電池堆 |
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1 |
臺 |
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3 |
金屬氫化物氫氣瓶 |
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1 |
只 |
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|
4 |
燃料電池控制器 |
|
1 |
臺 |
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5 |
實驗電源模塊（系統(tǒng)內部） |
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2 |
套 |
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6 |
實驗測量儀表（系統(tǒng)面板） |
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1 |
套 |
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7 |
實驗附件 |
|
1 |
套 |
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8 |
實驗說明書及指導手冊 |
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1 |
冊 |
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