一、概述:
質(zhì)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(jìn)行電化反應(yīng)，并將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的高效發(fā)電裝置（化學(xué)反應(yīng)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(nèi)燃機(jī)相比，最突出的優(yōu)點(diǎn)是高的能量轉(zhuǎn)化效率和極低的環(huán)境污染，在現(xiàn)實(shí)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(yīng)國家節(jié)能減排號召，促進(jìn)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(chǎn)了《燃料電池發(fā)電教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)》。
應(yīng)用范圍：主要面向職高、大學(xué)、研究生、以燃料電池發(fā)電為主課題的研究和培訓(xùn)。
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(fù)載，交流線性負(fù)載，直流感性負(fù)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(fù)載電流表 |
用來測量直流負(fù)載電流 |
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4 |
線性負(fù)載電壓表 |
用來測量直流負(fù)載電壓 |
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5 |
交流電壓表 |
用來測量交流離網(wǎng)、并網(wǎng)運(yùn)行過程中負(fù)載電壓 |
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6 |
交流電流表 |
用來測量交流離網(wǎng)、并網(wǎng)運(yùn)行過程中負(fù)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(fù)載箱 |
用來作為阻性負(fù)載 |
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10 |
電機(jī)/軸流風(fēng)扇 |
用來作為感性負(fù)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(zhuǎn)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(fēng)扇轉(zhuǎn)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(fēng)冷型燃料電池堆，通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇電壓，改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，控制電堆溫度；針對水冷型燃料電池堆，通過調(diào)節(jié)循環(huán)水泵電壓，改變冷卻水流量，控制電堆溫度，實(shí)現(xiàn)電堆的熱管理。設(shè)定電磁閥開閉周期和占空比，調(diào)節(jié)尾氣排放量，控制電堆內(nèi)部濕度，實(shí)現(xiàn)電堆水管理。
2、燃料電池堆的特性研究
應(yīng)用所提供的線形負(fù)載（變阻器）和燈泡負(fù)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(fù)載，進(jìn)行恒電流、恒電壓、恒功率和恒電阻實(shí)驗(yàn)，繪制不同負(fù)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(diào)節(jié)精密減壓閥，控制氫氣進(jìn)氣壓力；調(diào)節(jié)風(fēng)扇電壓或冷卻水流量，控制電堆溫度；調(diào)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(fù)載電壓 |
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2 |
電壓表2 |
用來測量電機(jī)負(fù)載電壓 |
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3 |
電壓表3 |
用來測量電阻性負(fù)載電壓 |
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4 |
儀表開關(guān) |
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(lán)） |
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6 |
LED燈組 |
用來作為阻性負(fù)載（紅、綠、藍(lán)） |
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7 |
電機(jī) |
用來作為感性負(fù)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(guān) |
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(fù)載 |
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11 |
燃料電池測試 |
燃料電池基本電功率實(shí)驗(yàn) |
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12 |
燃料電池輸出開關(guān) |
打開后，燃料電池向負(fù)載輸出電能 |
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13 |
直流功率表 |
用來測量直接負(fù)載功率 |
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14 |
直流電壓表 |
用來測量直接負(fù)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(zhuǎn)成0.04～0.06Mp低壓，向電堆供應(yīng)氫氣 |
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17 |
直流電流表 |
用來測量直接負(fù)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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控制燃料電池風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和定時排氣 |
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三、設(shè)備部件參數(shù)：
◆ 燃料電池
燃料電池是本教學(xué)平臺的核心組成部分，將氫瓶供給的氫氣轉(zhuǎn)換成電能，供負(fù)載使用。
產(chǎn)品優(yōu)勢:具有重量輕，體積小，便于攜帶；靜音設(shè)計；結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高：啟動速度快，響應(yīng)時間短，適合于各種應(yīng)用環(huán)境；環(huán)境適應(yīng)性好，適應(yīng)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(fēng)機(jī)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(fēng)，確?？諝忭槙沉魍?，有助與反應(yīng)空氣的吸入和電池的散熱。安裝時將燃料電池平放，風(fēng)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(yīng)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(chǎn)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(qiáng)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(shù)規(guī)程(GB 4962-85) 。
本實(shí)驗(yàn)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(xué)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(shù)。
電壓表：本教學(xué)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(fù)載電壓和交流輸出電壓。
計時器：本教學(xué)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(zhǔn)時充氣。當(dāng)開啟電堆時按下計時器的計時按鈕，關(guān)閉電堆前按停止按鈕保存數(shù)據(jù)，清除累計時間可按清除按鈕。
溫度表：本教學(xué)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(fù)載
線性負(fù)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(fù)載：是一個額定電壓為12V,轉(zhuǎn)速為1440r/min的軸流風(fēng)機(jī)。
DC/AC
本教學(xué)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(zhuǎn)換為AC220V±5％的交流電壓，為負(fù)載和其他供電。技術(shù)參數(shù)：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(zhuǎn)換為186～260V±5％的交流電壓，向電網(wǎng)進(jìn)行反向送電（并網(wǎng)）。
四、新能源燃料電池發(fā)電教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺技術(shù)參數(shù)：
◆ AC標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)保護(hù)： VAC;f AC
◆ 輸出短路保護(hù)： 限流
◆ 顯示方式： LED
◆ 待機(jī)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(guān)和漏電保護(hù)器
為了保護(hù)本教學(xué)平臺的重要部件，避免一些由于人為的操作失誤而導(dǎo)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(guān)和漏電保護(hù)開關(guān)，
五、新能源燃料電池發(fā)電教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：
實(shí)驗(yàn)1、燃料電池能量轉(zhuǎn)換原理實(shí)驗(yàn)；
實(shí)驗(yàn)2、反應(yīng)條件對燃料電池堆性能影響實(shí)驗(yàn)；
實(shí)驗(yàn)3、燃料電池堆負(fù)載實(shí)驗(yàn)；
實(shí)驗(yàn)4、燃料電池堆在恒定負(fù)載條件下V-I、P-I特性實(shí)驗(yàn)；
實(shí)驗(yàn)5、燃料電池堆在變化負(fù)載條件下V-I、P-I特性實(shí)驗(yàn)；
實(shí)驗(yàn)6、電力電子轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)；
實(shí)驗(yàn)7、燃料電池驅(qū)動線性負(fù)載實(shí)驗(yàn)；
實(shí)驗(yàn)8、燃料電池驅(qū)動LED陣列實(shí)驗(yàn)；
實(shí)驗(yàn)9、燃料電池驅(qū)動電機(jī)實(shí)驗(yàn)；
實(shí)驗(yàn)10、燃料電池燃料電池對移動設(shè)備供（充）電實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)11、燃料電池燃料電池驅(qū)動感性負(fù)載實(shí)驗(yàn)；
實(shí)驗(yàn)12、燃料電池燃料電池驅(qū)動并網(wǎng)模塊并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)；
實(shí)驗(yàn)13、線形負(fù)載和燈泡負(fù)載電堆性能實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)14、恒值負(fù)載電堆性能實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)15、不同溫度電堆性能曲線實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)16、不同壓力電堆性能曲線實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)17、不同尾氣排放量電堆性能曲線實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)18、最佳電堆性能曲線實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)19、不同類型電堆性能評價實(shí)驗(yàn)。
六、基本配置：
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序號 |
名 稱 |
型 號 |
數(shù) 量 |
單 位 |
價 格 |
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1 |
教學(xué)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(shí)驗(yàn)電源模塊（系統(tǒng)內(nèi)部） |
|
2 |
套 |
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6 |
實(shí)驗(yàn)測量儀表（系統(tǒng)面板） |
|
1 |
套 |
|
|
7 |
實(shí)驗(yàn)附件 |
|
1 |
套 |
|
|
8 |
實(shí)驗(yàn)說明書及指導(dǎo)手冊 |
|
1 |
冊 |
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