4.4.3 氢燃料电池伏安特性实验
1.实验目的
（1）深入理解氢燃料电池的发电原理、基本电力特性和主要性能指标。
（2）学习氢燃料电池供氢系统的操作方法，以及供氢流量的测量方法。
（3）学习氢燃料电池伏安特性的测试方法，熟悉氢燃料电池的使用方式。
氢燃料电池伏安特性实验视频
2.实验内容
（1）氢气减压设置与流率测量。
（2）燃料电池伏安特性测试。
3.实验设备及软件
本实验所需的主要设备包括氢燃料电池、安全供氢系统、氢气质量流量计、电子负载、混合能源管理模块、上位机、电子负载上位机软件及串口通信软件，如表4-9所示。
表4-9 本实验所选用设备及软件
安全供氢系统由防爆安全柜、40 L标准储氢钢瓶、两级减压调节阀（各配气压表）、供氢软管组成；氢燃料电池选用额定功率为100 W的EOS100燃料电池；流率测量选择MF4008质量流量计（简称“流量计”）；混合能源管理模块采用STM32F767阿波罗开发板。主要设备如图4-30所示，氢燃料电池和流量计的主要参数如表4-10和表4-11所示。
图4-30 燃料电池实验主要设备
（a）供氢柜；（b）EOS100燃料电池；（c）MF4000气体质量流量计
表4-10 EOS100燃料电池主要参数
表4-11 MF4008流量计主要参数
4.实验过程
1）实验设备连接
图4-31给出了氢燃料电池实验系统架构。在氢燃料电池供氢气之前，应完成其他设备的电力连接，主要是将氢燃料电池接入电子负载，采用充满电的3串锂电池（容量在2200 mAh以上）为流量计和STM32开发板供电，并连接好数据通信线。其中，氢燃料电池自身控制器与开发板之间为CAN通信连接，其他为RS232串口通信。
图4-31 氢燃料电池实验系统架构
2）电子负载电流剖面自动加载设置
启动电子负载上位机软件Load Monitor，在“自动测试”控制面板中设置时序加载剖面，如在电流模式（CC Mode）下，本示例设置电流载荷剖面为0 A→7.5 A→0 A，每步步长为0.5 A，持续时长为10 s。
3）氢气质量流量计数据读取测试
在上位机中打开串口助手软件，用设备电源为流量计和混合能源管理模块上电，通过调试串口通信，完成流量计数据的读取和发送；可向流量计进口轻微吹气，判断流量计是否工作正常，以及上位机数据读取是否同步正常。
4）氢气减压系统设置
打开防爆安全柜，如图4-32所示，可以看到氢气瓶和两级减压阀。
图4-32 供氢系统及各环节气压范围
堵住燃料电池供氢软管出气口，然后执行以下操作：
（1）打开氢气瓶。确保两级减压阀调节把手都处在最左旋位置，然后逆时针缓慢旋转氢气瓶顶端阀（约1～2圈），直至高压表（即进口压力表）指针稳定，此时显示气压为瓶内压力，通常气压范围在1～15 MPa之内，则说明瓶内氢气可以正常使用。
（2）设置一级减压。缓慢右旋一级减压阀调节把手，观察一级出口压力表，直至压力处于4～5 bar之间即可。
（3）设置二级减压。缓慢右旋二级减压阀调节把手，观察二级压力表，直至压力处于0.4～0.5 bar之间即可。
（4）判断气压稳定。将软管出口不接入氢燃料电池，模拟氢燃料电池的排气过程，脉冲式放气，观察排气过程二级压力表和一级出口压力表的气压下降幅度，以及堵住后，气压能否重新稳定在设置范围区间。若下降幅度不超过0.2 bar，且堵住出气口后可以恢复到设定区间0.4～0.5 bar，则氢气气压设置完成，等待接入氢燃料电池即可；否则，需要继续微调二级减压阀或一级减压阀，直至出口气压稳定且在设定区间。
5）启动伏安特性测试
将氢气管接入氢燃料电池进气口，等待氢燃料电池启动完毕。确认电子负载在远程“PC控制”模式，以及处于“On”状态。然后，启动载荷剖面测试，逐级加载。用万用表检测氢燃料电池单片电压是否正常，要求单片电压不低于0.5 V，否则停止加载，重新设定加载剖面值。加载过程仍需观察二级压力表，确保进气压力始终在允许范围之内。
6）结束实验
当载荷加载完毕后，确认电子负载处于空载状态。然后，将电子负载切换至面板控制，按【On／Off】键将电子负载调至“Off”状态。断开控制器电源和流量计电源，顺时针旋转氢气瓶阀门，关闭氢气瓶；断开燃料电池进口氢气管，并将剩余氢气排至氢气柜或室外。
7）导出数据并处理
在上位机中将串口助手的窗口数据保存，再将加载剖面和测量数据保存，然后导出数据并处理。
5.讨论与思考
记录实验时间、环境温度、氢燃料电池输出电流和电压、氢气质量流率、风扇开度、氢燃料电池堆温度、排气次数和间隔时间等数据信息，进行数据分析后，讨论并思考以下问题：
（1）分析讨论氢燃料电池的伏安特性曲线、电流-功率特性曲线特点。
（2）分析讨论氢燃料电池堆的发电效率与输出状态（如电流）的关系。
（3）从实验数据分析氢燃料电池的温度变化与风扇开度之间的关系。
（4）总结氢燃料电池电流瞬时切变后，燃料电池的电压和功率如何变化，并分析原因。
（5）思考氢燃料电池能否应用于载荷条件瞬时大幅度变化的工况，给出应用方式建议。
（6）氢燃料电池每隔一段时间就要进行一次脉冲式排气，思考排气的原理及排气的目的。