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一、概述:
质子交换膜燃料电池是一种将燃料氢气作为还原剂与空气中的氧气作为氧化剂进行电化反应，并将化学能直接转换成电能的高效发电装置（化学反应式为H2＋1/2O2® H2O）。燃料电池可以作为发电站或车辆的动力源。燃料电池与内燃机相比，最突出的优点是高的能量转化效率和极低的环境污染，在现实生活中电能是一种清洁的能源，因此燃料电池输出的是清洁的能源。
为响应国家节能减排号召，促进新能源生力军健康、和谐发展，针对广大院校需求，我司研制并生产了《燃料电池发电教学实训系统》。
应用范围：主要面向职高、大学、研究生、以燃料电池发电为主课题的研究和培训。
系统由自吸式PEM燃料电池堆、金属氢化物氢瓶及其组件燃料电池控制器、直流线性负载，交流线性负载，直流感性负载和测试仪表组成。
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编号 |
组件 |
说明 |
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1 |
自吸式PEM燃料电池堆 |
用来作为电能的输出 |
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2 |
金属氢化物氢瓶及其组件 |
用来给燃料电池提供氢燃料 |
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3 |
线性负载电流表 |
用来测量直流负载电流 |
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4 |
线性负载电压表 |
用来测量直流负载电压 |
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5 |
交流电压表 |
用来测量交流离网、并网运行过程中负载电压 |
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6 |
交流电流表 |
用来测量交流离网、并网运行过程中负载电流 |
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7 |
计时器 |
用来累计氢瓶使用时间 |
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8 |
温度表 |
用来反映电堆周围环境温度 |
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9 |
线性电阻负载箱 |
用来作为阻性负载 |
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10 |
电机/轴流风扇 |
用来作为感性负载 |
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编号 |
组件 |
说明 |
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1 |
DC/DC电源模块（9V） |
仪表供电 |
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2 |
DC/DC电源模块（12V） |
将燃料电池输出波动直流电转化为12V直流电 |
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3 |
燃料电池控制器 |
控制燃料电池风扇转速和定时排气 |
二、燃料电池测试和燃料电池管理：
1、燃料电池发电系统的热管理和水管理
针对风冷型燃料电池堆，通过调节风扇电压，改变风扇转速，控制电堆温度；针对水冷型燃料电池堆，通过调节循环水泵电压，改变冷却水流量，控制电堆温度，实现电堆的热管理。设定电磁阀开闭周期和占空比，调节尾气排放量，控制电堆内部湿度，实现电堆水管理。
2、燃料电池堆的特性研究
应用所提供的线形负载（变阻器）和灯泡负载，通过观察显示仪表，初步了解电堆的电流、电压和功率特性。利用所提供的电子负载，进行恒电流、恒电压、恒功率和恒电阻实验，绘制不同负载变化下的V－I和P－I曲线，研究电堆的输出特性。燃料电池堆V－I曲线绘制，空冷型燃料电池堆V－I曲线。
3、燃料电池堆的性能优化
调节精密减压阀，控制氢气进气压力；调节风扇电压或冷却水流量，控制电堆温度；调节尾气排放量。控制电堆湿度。通过比较不同功率变化下的V－I曲线，确定最优操作条件，获得相同系列电堆的最佳系统输出性能曲线。
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编号
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组 件
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说 明
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1
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电压表1
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用来测量LED灯组负载电压
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2
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电压表2
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用来测量电机负载电压
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3
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电压表3
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用来测量电阻性负载电压
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4
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仪表开关
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用来控制仪表供电
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5
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按钮1
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用来控制LED灯组（红）
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按钮2
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用来控制LED灯组（绿）
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按钮3
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用来控制LED灯组（蓝）
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6
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LED灯组
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用来作为阻性负载（红、绿、蓝）
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7
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电机
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用来作为感性负载
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8
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直流输出接口
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输出直流3.3V、5.0V、9V、12V
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9
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输出开关
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用来控制直流输出电压通断
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10
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电阻箱
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用来作为线性负载
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11
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燃料电池测试
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燃料电池基本电功率实验
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12
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燃料电池输出开关
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打开后，燃料电池向负载输出电能
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13
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直流功率表
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用来测量直接负载功率
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14
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直流电压表
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用来测量直接负载电压
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15
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温度表
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用来反映电堆周围环境温度
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16
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二级减压阀
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将0.4Mp～1.6Mp高压转成0.04～0.06Mp低压，向电堆供应氢气
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17
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直流电流表
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用来测量直接负载电流
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18
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金属氢气瓶及其组件
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用来给燃料电池提供氢燃料
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19
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计时器
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用来累计氢瓶使用时间
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20
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自吸式PEM燃料电池堆
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用来作为电能的输出
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21
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燃料电池控制器
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三、设备部件参数：
◆ 燃料电池
燃料电池是本教学平台的核心组成部分，将氢瓶供给的氢气转换成电能，供负载使用。
产品优势:具有重量轻，体积小，便于携带；静音设计；结构简单，可靠性高：启动速度快，响应时间短，适合于各种应用环境；环境适应性好，适应各种天气变化；
其规格如下：
◆ 电池功率为50w；
◆ 开路电压为15～30V；
◆ 工作电压为11V时，电流为4.15A，电池温度为41.5℃；
◆ 风机电压为10.5V；
◆ 尾气排放阀排气间隔为12秒，每次排气时间为0.3秒。
燃料电池安装要注意通风，确保空气顺畅流通，有助与反应空气的吸入和电池的散热。安装时将燃料电池平放，风扇朝上，散热口朝下，尾气排放口通过排气管接电池阀，接上燃料气瓶即可发电。
◆ 金属氢化物氢瓶
◆ 金属氢化物氢瓶用来给燃料电池供应燃料，其规格为：
◆ 贮氢容量（ 20℃）： 500L
◆ 放氢流速（ 20℃）： >5L/min
◆ 放氢压力（ 20℃）： ≥0.3MPa
◆ 使用环境温度：0～60℃
◆ 产品氢纯度：99.99％～99.9999％
◆ 原料氢： ≥98％（普通工业氢）
◆ 充氢压力：2.0～3.0MPa
◆ 充氢环境温度：0～40℃
◆ 热交换方式：空气自然对流或强制对流
◆ 重量：4.5kg
◆ 外形尺寸：长420mm，直径50mm
◆ 金属氢化物氢瓶具体使用规则见附件B。
钢瓶（带减压阀门和压力表）
用来给金属氢化物充气，使用使要符合氢气使用安全技术规程(GB 4962-85) 。
本实验系统可以使用如下规格瓶装氢气：
◆ 容积：4L
◆ 压力：15MPa
◆ 氢气纯度：99.999％高纯氢
◆ 减压器规格：最大输入压力（25MPa）最大输出压力（0.25MPa）
◆ 充氢具体操作见附件C。
仪表
电流表：本教学平台共有2个电流表，量程和误差分别为AC 5A和DC 20A±0.2％。用来测量燃料电池输出总电流和交流电参数。
电压表：本教学平台共有2个电压表，量程和误差分别为AC 500V和DC 50V±0.2％。用来测量燃料电池输出电压、负载电压和交流输出电压。
计时器：本教学平台共有1个计时器，量程为100小时，主要用来累计氢瓶使用时间，以便准时充气。当开启电堆时按下计时器的计时按钮，关闭电堆前按停止按钮保存数据，清除累计时间可按清除按钮。
温度表：本教学平台有1个温度表，量程和误差分别是-19.9～99.9℃和±1％。用来反映环境温度。
负载
线性负载：是一个变阻箱，阻值变换范围为0～1999欧姆，阻值最小变化值为0.1欧姆；最大可承受功率为10W。
感性负载：是一个额定电压为12V,转速为1440r/min的轴流风机。
DC/AC
本教学平台共有7个DC/AC电源模块:
1. DCW300-12S12（1个）：将燃料电池发出的直流19V电能转换为AC220V±5％的交流电压，为负载和其他供电。技术参数：输入电压范围9～18V，输出电压Ac220V，输出电流1.2A，输出功率300W。
2. DCN200-12S09（1个）：将10-28V直流电压转换为186～260V±5％的交流电压，向电网进行反向送电（并网）。
四、技术参数：
◆ AC标准电压范围： 90V-140V/180V-260VAC
◆ AC频率范围： 55Hz~63Hz/45Hz~53Hz
◆ 输出电流总谐波失真： THDIAC <5%
◆ 相位 差： <1%
◆ 岛效应保护： VAC;f AC
◆ 输出短路保护： 限流
◆ 显示方式： LED
◆ 待机功耗： <2W
◆ 夜间功耗： <1W
◆ 环境温度范围： -25 ℃~60℃
◆ 环境湿度： 0~99%(Indoor Type Design)
紧急停止开关和漏电保护器
为了保护本教学平台的重要部件，避免一些由于人为的操作失误而导致的重大事故的发生，我们在电源前端重要部件前加入了紧急停止开关和漏电保护开关，
五、实验项目：
实验1、燃料电池能量转换原理实验；
实验2、反应条件对燃料电池堆性能影响实验；
实验3、燃料电池堆负载实验；
实验4、燃料电池堆在恒定负载条件下V-I、P-I特性实验；
实验5、燃料电池堆在变化负载条件下V-I、P-I特性实验；
实验6、电力电子转换实验；
实验7、燃料电池驱动线性负载实验；
实验8、燃料电池驱动LED阵列实验；
实验9、燃料电池驱动电机实验；
实验10、燃料电池燃料电池对移动设备供（充）电实验
实验11、燃料电池燃料电池驱动感性负载实验；
实验12、燃料电池燃料电池驱动并网模块并网实验；
实验13、线形负载和灯泡负载电堆性能实验。
实验14、恒值负载电堆性能实验。
实验15、不同温度电堆性能曲线实验。
实验16、不同压力电堆性能曲线实验。
实验17、不同尾气排放量电堆性能曲线实验。
实验18、最佳电堆性能曲线实验。
实验19、不同类型电堆性能评价实验。
六、基本配置：
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序号 |
名 称 |
型 号 |
数 量 |
单 位 |
价 格 |
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1 |
教学系统主操作台（立式或台式） |
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1 |
台 |
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2 |
50w自吸式PEM燃料电池堆 |
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1 |
台 |
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3 |
金属氢化物氢气瓶 |
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1 |
只 |
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4 |
燃料电池控制器 |
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1 |
台 |
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5 |
实验电源模块（系统内部） |
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2 |
套 |
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6 |
实验测量仪表（系统面板） |
|
1 |
套 |
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7 |
实验附件 |
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1 |
套 |
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8 |
实验说明书及指导手册 |
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1 |
册 |
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