氫燃料電池結(jié)構(gòu)原理實訓(xùn)平臺，燃料電池實訓(xùn)系統(tǒng)
2024-05-21 06:47氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。其結(jié)構(gòu)原理主要涉及以下幾個部分：
正極（陽極）：這是氫燃料電池中最重要的部分之一。它的主要作用是將氫氣轉(zhuǎn)化為離子并將電子釋放出來。正極通常由鉑等貴重金屬制成，這是因為這些材料具有良好的催化作用，可以更好地促進氫氣的反應(yīng)。
電解質(zhì)層：這是氫燃料電池中的另一個關(guān)鍵部分。它的主要作用是分離陽極和陰極，并促進離子的傳遞。電解質(zhì)層通常是由聚合物膜或磺酸聚合物膜等材料制成，這些材料具有良好的導(dǎo)電性和物理性質(zhì)，可以有效地促進離子的傳遞和分離。
在氫燃料電池的工作原理中，氫氣和氧氣分別被送到陽極和陰極。在陽極，氫氣在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，氫原子中的一個電子被分離出來，形成帶正電的氫離子（質(zhì)子）。這些氫離子穿過電解質(zhì)層（即質(zhì)子交換膜）到達陰極。而電子則不能通過質(zhì)子交換膜，只能經(jīng)過外部電路到達陰極，從而在外電路中產(chǎn)生電流。
在陰極，氧氣與氫離子和電子結(jié)合，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水。這個過程中釋放出的能量，即為氫燃料電池所輸出的電能。
總的來說，氫燃料電池通過其獨特的結(jié)構(gòu)和原理，實現(xiàn)了將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的過程，具有無污染、無噪聲、高效率等優(yōu)點，在航天、發(fā)電、汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
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，最突出的優(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)了燃料電池教學(xué)實驗平臺。
燃料電池教學(xué)實驗平臺應(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)。
燃料電池教學(xué)實驗平臺由自吸式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。
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℃）： 10L
◆ 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：空氣自然對流或強制對流
◆ 重量：1.0kg
◆ 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 0～300ml/min
功率 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(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12-24V,轉(zhuǎn)速為200r/min的減速電機。
DC/AC
本教學(xué)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(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)
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(fù)載實驗；
實驗4、燃料電池堆在恒定負(fù)載條件下V-I、P-I特性實驗；
實驗5、燃料電池堆在變化負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載和燈泡負(fù)載電堆性能實驗。
實驗14、恒值負(fù)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。
正極（陽極）：這是氫燃料電池中最重要的部分之一。它的主要作用是將氫氣轉(zhuǎn)化為離子并將電子釋放出來。正極通常由鉑等貴重金屬制成，這是因為這些材料具有良好的催化作用，可以更好地促進氫氣的反應(yīng)。
電解質(zhì)層：這是氫燃料電池中的另一個關(guān)鍵部分。它的主要作用是分離陽極和陰極，并促進離子的傳遞。電解質(zhì)層通常是由聚合物膜或磺酸聚合物膜等材料制成，這些材料具有良好的導(dǎo)電性和物理性質(zhì)，可以有效地促進離子的傳遞和分離。
在氫燃料電池的工作原理中，氫氣和氧氣分別被送到陽極和陰極。在陽極，氫氣在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，氫原子中的一個電子被分離出來，形成帶正電的氫離子（質(zhì)子）。這些氫離子穿過電解質(zhì)層（即質(zhì)子交換膜）到達陰極。而電子則不能通過質(zhì)子交換膜，只能經(jīng)過外部電路到達陰極，從而在外電路中產(chǎn)生電流。
在陰極，氧氣與氫離子和電子結(jié)合，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水。這個過程中釋放出的能量，即為氫燃料電池所輸出的電能。
總的來說，氫燃料電池通過其獨特的結(jié)構(gòu)和原理，實現(xiàn)了將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的過程，具有無污染、無噪聲、高效率等優(yōu)點，在航天、發(fā)電、汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
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，最突出的優(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)了燃料電池教學(xué)實驗平臺。
燃料電池教學(xué)實驗平臺應(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)。
燃料電池教學(xué)實驗平臺由自吸式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。
| 編號 | 組件 | 說明 |
| 1 | 自吸式PEM燃料電池堆 | 用來作為電能的輸出 |
| 2 | 金屬氫化物氫瓶及其組件 | 用來給燃料電池提供氫燃料 |
| 3 | 線性負(fù)載電流表 | 用來測量直接線性負(fù)載電流 |
| 4 | 線性負(fù)載電壓表 | 用來測量直接線性負(fù)載電壓 |
| 5 | 直流功率表1 | 用來測量直接線性負(fù)載功率 |
| 6 | 直流功率表2 | 用來測量LED燈組負(fù)載功率 |
| 7 | 直流功率表3 | 用來測量電機負(fù)載功率 |
| 8 | 計時器 | 用來累計氫瓶使用時間 |
| 9 | 溫度表 | 用來反映電堆周圍環(huán)境溫度 |
| 10 | LED燈組 | 用來作為阻性負(fù)載 |
| 11 | 電機 | 用來作為感性負(fù)載 |
| 12 | 按鈕1 | 用來控制儀表供電 |
| 13 | 按鈕2 | 用來控制線性負(fù)載回路通斷 |
| 14 | 按鈕3 | 用來控制燈和電機負(fù)載回路通斷 |
| 15 | 按鈕4 | 用來控制LED燈組（紅） |
| 16 | 按鈕5 | 用來控制LED燈組（黃） |
| 17 | 按鈕6 | 用來控制LED燈組（綠） |
| 編號 | 組件 | 說明 |
| 1 | DC/DC電源模塊（9V） | 儀表供電 |
| 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 |
| 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 |
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(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℃）： 10L
◆ 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：空氣自然對流或強制對流
◆ 重量：1.0kg
◆ 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 0～300ml/min
功率 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(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12-24V,轉(zhuǎn)速為200r/min的減速電機。
DC/AC
本教學(xué)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(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)
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(fù)載實驗；
實驗4、燃料電池堆在恒定負(fù)載條件下V-I、P-I特性實驗；
實驗5、燃料電池堆在變化負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載和燈泡負(fù)載電堆性能實驗。
實驗14、恒值負(fù)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。