燃料電池發(fā)電教學(xué)實訓(xùn)系統(tǒng)

1、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)燃機相比，優(yōu)點是高的能量轉(zhuǎn)化效率和極低的環(huán)境污染，在現(xiàn)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(yīng)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(chǎn)了《燃料電池發(fā)電教學(xué)實訓(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、高純度氫氣發(fā)生器，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。

         高純度氫氣發(fā)生器        教學(xué)平臺前視圖

2、各部件參數(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)，確保空氣順暢流通，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℃）：  100L

  ◆ 放氫流速（ 20℃）：  >100L/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：空氣自然對流或強制對流

  ◆ 重量：2.5kg

  ◆ 外形尺寸：長350mm，直徑90mm

  ◆ 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) 。

本實驗系統(tǒng)可以使用如下規(guī)格瓶裝氫氣：

  ◆ 容積：1L

  ◆ 壓力：15MPa

  ◆ 氫氣純度：99.999％高純氫

  ◆ 減壓器規(guī)格：輸入壓力（0-25MPa）

                 輸出壓力（0-0.16MPa）連續(xù)可調(diào)

  ◆ 充氫具體操作見附件C。

高純氫氣發(fā)生器

• 輸出流量 ZH-300(0～300ml/min)
• 功率 SY-300(150W)
• 輸出壓力 0～0.4 MPa
• 電源電壓
• 交流220V±10%； 50Hz±5%
• 工作條件
• 溫度：5～42℃
• 相對濕度：≤85%；

儀表 

電流表：平臺設(shè)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電流和交流電流。

電壓表：平臺設(shè)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(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。

負載

線性負載：是一個變阻箱，阻值變換范圍為0～1999歐姆，阻值小變化值為0.1歐姆；大可承受功率為10W。

感性負載：是一個額定電壓為12-24V,轉(zhuǎn)速為200r/min的減速電機。

DC/AC

本平臺共有2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)進行反向送電（并網(wǎng)）。

并網(wǎng)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： 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)

離網(wǎng)技術(shù)參數(shù)

◆ 直流輸入電壓：11～21VDC

◆ 額定輸出功率：300W

◆ 輸出電壓：110/220VAC根據(jù)客戶要求訂制

◆ 輸出波形：純正弦波

◆ 輸出頻率：50Hz

◆ 工作效率：85%

◆ 功率因數(shù)：>0.88

◆ 波形失真率≤5%

◆ 工作環(huán)境：溫度-20℃～50℃

◆ 相對濕度：﹤90﹪（25℃）

◆ 保護功能：極性反接、短路、過熱、過載保護

本平臺共有4個DC/DC電源模塊。

1. DC-DC05（4個）：將燃料電池發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換為DC3.3V、5.0V、9.0V、12V的直流電。

◆ 輸入電壓：DC1.5-32V

◆ 輸出電壓：DC1.25-30V連續(xù)可調(diào)

平臺監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析單元

本單元為采集燃料電池數(shù)據(jù)信息而設(shè)，配置一臺工控一體主機，通過CAN/485通信端口將燃料電池進氣壓力、進氣流量、氫氣濃度、排氣間隔、燃料電池工作電壓、電流、功率、溫度、風(fēng)機轉(zhuǎn)速等相關(guān)信息進行采集匯總，并做出有效分析，并生成曲線圖供參考。采集的數(shù)據(jù)可長期保存在計算機中、隨時可以調(diào)取數(shù)據(jù)信息。

智慧教室綜合測控系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用一體化設(shè)計，要求所有功能集中在一塊核心控制器上，禁止采用多種模塊拼裝，確保使用人員的人身安全及設(shè)備安全的性能指標(biāo)
（一）、虛擬示波器所需實現(xiàn)的功能：50MHz   2路波形測量功能；
（二）2路邏輯分析儀功能；
（三）1路任意波形信號發(fā)生器輸出；
200MSa/s高速實時采樣，50MHz帶寬，波形測量*教學(xué)實驗要求，波形平滑不失真。
（四）2路PWM脈沖信號發(fā)生器：可設(shè)置頻率、占空比。
（五）、萬用表功能
1、萬用表的電阻測量功能；
2、萬用表的直流電壓測量功能；
3、萬用表的交流電壓測量功能；
4、萬用表的交流電流測量功能；
（六）、人機界面功能
*1、人機界面顯示所測量的波形，并顯示相應(yīng)的量測值；
*2、可通過點擊界面按鈕，將所測量的波形插入實驗報告模板中；
*3、學(xué)生的實驗報告結(jié)果可通過點擊界面按鈕，統(tǒng)一上傳到的教師電腦文件夾下；（七）、實驗室安全監(jiān)控功能
1、環(huán)境參數(shù)測量：可同時測量顯示溫濕度、CO2濃度和PM2.5；
2、電氣參數(shù)測量：可測量控制臺電壓電流，并計算出功率；
3、過流、過壓、欠壓（閥值可設(shè)置）報警跳閘保護；
4、安全防護：實驗室環(huán)境安全監(jiān)控裝置（PM2.5、煙霧、可燃氣體、溫濕度及CO2濃度異常（火警）報警）；5、節(jié)電功能：長期無人實驗時，自動關(guān)閉總閘開關(guān)，實現(xiàn)安全和節(jié)電效果；

緊急停止開關(guān)和漏電保護器

為了保護本教學(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)和漏電保護開關(guān)，

3、實驗項目

實驗1、燃料電池能量轉(zhuǎn)換原理實驗；

實驗2、反應(yīng)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(zhuǎn)換實驗；

實驗7、燃料電池驅(qū)動線性負載實驗；

實驗8、燃料電池驅(qū)動LED陣列實驗；

實驗9、燃料電池驅(qū)動電機實驗；

實驗10、燃料電池燃料電池對移動設(shè)備供（充）電實驗

實驗11、燃料電池燃料電池驅(qū)動感性負載實驗；

實驗12、燃料電池燃料電池驅(qū)動并網(wǎng)模塊并網(wǎng)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、電堆性能曲線實驗。

實驗19、不同類型電堆性能評價實驗。

4、基本配置表