氢能燃料电池电能变换技术研究

【摘要】：随着化石能源的日益枯竭和环境污染问题的日渐加剧,质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高能量转换效率、环境友好等优点,成为了21世纪最有发展前景的新能源利用技术。然而燃料电池系统是一个多变量、强耦合系统,为了充分了解它的动态特性,需要对其进行数学建模和系统仿真。并且燃料电池发出的是不稳定的直流电,必须配备电能变换装置来调节电能输出,得到符合负载要求的直流电或交流电。针对以上问题本文的主要工作如下： 1、在研究PEMFC电化学反应机理的基础上,以质量能量守恒定律及电化学动态学等为理论依据建立了PEMFC的数学模型,该模型可用于实验分析与PEMFC结构设计的优化。 2、设计了一种用于PEMFC电能变换的低压直流输入、低成本、高效率的电能变换器,并通过在变换器中加入辅助蓄电池和前级Boost电路,提高了变换器的转换效率、改善了带载特性偏软及动态性能较差的缺点。 3、参与设计了一个集成有电池电堆、加湿器、流量系统、温度系统的“氢能反应堆动力系统控制平台”,以此为实验平台测试了包括电堆温度、反应气体压力、电堆电压以及输出电流密度等对燃料电池系统运行状态的影响,建立了电堆的极化曲线。并通过实验数据与模型输出数据的对比验证了模型的有效性。 4、完成了2KW质子交换膜燃料电池电能变换器的硬件搭建和调试,并在上述实验平台中使用,得到了输出稳定的直流电和符合负载要求的交流电。改善了燃料电池的输出特性,为并网逆变提供了基础。 【关键词】：质子交换膜燃料电池 电能变换 建模 仿真 SIMUlink
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 第一章 绪论16-30
• 1.1 引言16-18
• 1.2 燃料电池概述18-24
• 1.2.1 燃料电池的基本发电原理18-19
• 1.2.2 燃料电池的优点19
• 1.2.3 燃料电池的分类19-21
• 1.2.4 PEMFC国内外发展现状21-22
• 1.2.5 PEMFC的应用前景22-24
• 1.3 本文中关键技术问题和研究现状24-27
• 1.3.1 燃料电池建模及其发展现状24-25
• 1.3.2 燃料电池电能变换及其发展现状25-27
• 1.4 选题的意义和主要研究内容27-30
• 第二章 PEMFC组成及输出电能特性研究30-38
• 2.1 引言30
• 2.2 质子交换膜燃料电池工作原理30-31
• 2.3 PEMFC的组成31-35
• 2.3.1 质子交换膜31-32
• 2.3.2 质子交换膜燃料电池的电催化剂32-33
• 2.3.3 质子交换膜燃料电池的膜电极33-34
• 2.3.4 质子交换膜燃料电池的双极板34-35
• 2.4 质子交换膜燃料电池的输出特性及特点35-36
• 2.4.1 质子交换膜燃料电池的输出特性35-36
• 2.4.2 质子交换膜燃料电池的特点36
• 2.5 本课题中电堆特性36-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第三章 PEMFC数学模型建立38-56
• 3.1 引言38
• 3.2 质子交换膜燃料电池建模方法38-39
• 3.2.1 实验模型38-39
• 3.2.2 机理模型39
• 3.2.3 混合建模39
• 3.3 质子交换膜燃料电池数学模型的建立39-46
• 3.3.1 燃料电池开路电压40-42
• 3.3.2 活化损失42-44
• 3.3.3 燃料的穿透和内部短路电流损失44
• 3.3.4 欧姆损失44-45
• 3.3.5 传质与浓度损失45
• 3.3.6 燃料电池输出电压45
• 3.3.7 燃料电池的输出功率和产生的热量45-46
• 3.3.8 氢气与空气的消耗量46
• 3.4 基于Matlab/simulink仿真模型的搭建46-50
• 3.4.1 整体模型的构建46-47
• 3.4.2 能斯特开路电压子系统47-48
• 3.4.3 活化损失子系统48-49
• 3.4.4 欧姆损失子系统49
• 3.4.5 传质损失子系统49-50
• 3.4.6 活化损失中氢气浓度CH2及氧气浓度CO2的封装50
• 3.5 仿真运行及结果分析50-54
• 3.5.1 比较模型仿真数据与电堆实际数据52
• 3.5.2 各输入参数对模型输出的影响52-54
• 3.6 本章小结54-56
• 第四章 PEMFC变换器主电路研究56-74
• 4.1 引言56
• 4.2 质子交换膜燃料电池变换器系统56-58
• 4.3 前级DC-DC变换器设计58-63
• 4.3.1 DC-DC变换器主电路拓扑分析58-60
• 4.3.2 前级DC-DC变换器拓扑结构60-61
• 4.3.3 前级DC-DC变换器设计61-63
• 4.4 后级DC-AC变换器设计63-69
• 4.4.1 电路拓扑选择63-64
• 4.4.2 主开关器件的选择64-66
• 4.4.3 功率器件缓冲电路设计66-67
• 4.4.4 驱动电路的设计67-68
• 4.4.5 SPWM波形实现68-69
• 4.5 仿真与试验结果69-73
• 4.5.1 参数设置69
• 4.5.2 触发脉冲69-71
• 4.5.3 仿真结果71-73
• 4.6 本章小结73-74
• 第五章 PEMFC实验测试平台设计74-84
• 5.1 引言74
• 5.2 质子交换膜燃料电池实验平台整体结构74-75
• 5.3 燃料电池实验测试平台系统集成75-78
• 5.3.1 氢气供气系统设计75-76
• 5.3.2 空气供气系统设计76-77
• 5.3.3 氮气吹扫系统设计77
• 5.3.4 电堆反应温度控制系统77-78
• 5.3.5 增湿系统78
• 5.3.6 安全报警系统78
• 5.4 控制系统78-80
• 5.5 实验测试平台具体实验结果80-83
• 5.6 本章小结83-84
• 第六章 工作总结与展望84-86
• 6.1 工作总结84-85
• 6.2 展望85-86
• 参考文献86-90
• 致谢90-92
• 研究成果及发表的学术论文92-94
• 作者简介94-95
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书95-96

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