PEMFC单体电池电压检测器及电子负载的设计开发

论文摘要

燃料电池是一种高效、低噪音和少污染的洁净能源。在能源问题层出不穷的今天,燃料电池由于自身的优点已经成为全球能源研究的热点,其在固定电站,汽车及消费类电子中已经开始应用。在过去的几十年里质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术已经有了很大的进展,其具有在室温下快速启动、排水方便、使用寿命长以及比功率、比能量高等突出特点,特别适合为电动汽车、便携设备等提供动力。除了其内部电极性能和电池制造工艺外,监控系统也是影响质子交换膜燃料电池系统性能的一个重要因素。在质子交换膜燃料电池系统运行时,监控系统能够根据电池的实际运行状态、负载的要求等随时调节燃料的流量、电机的转速以及风扇的开和关,以保证燃料电池能够高效的运行。而在监控系统中,燃料电池单体电压检测系统是非常重要的部分。因为质子交换膜燃料电池系统的核心部分燃料电池堆是由多块独立进行电化学反应的燃料电池单板串联构成的。每片燃料电池单板在启动以及正常运行时有正常安全的输出电压范围,如果某一片燃料电池单板的输出电压不在正常范围内,那么这片燃料电池单板可能发生了故障。在燃料电池极板串联发电的情况下,一片燃料电池单板的故障必然造成燃料电池停止运行,由于燃料电池是电化学反应的载体,一片燃料电池单板的故障甚至会腐蚀整个燃料电池系统的核心部分燃料电池堆。所以确保每一片燃料电池单板的正常运行是质子交换膜燃料电池系统正常安全运行的必要前提。因此通过检测燃料电池单体电压来检测每片燃料电池单板是否正常就成为燃料电池运行系统过程中非常重要的检测环节。在质子交换膜燃料电池监控系统中,燃料电池单体电压检测系统是相对独立的部分。燃料电池单体电池电压检测系统可以集成在整个燃料电池监控系统中成为监控系统的一个子系统,也可以以燃料电池单体电压检测器的形式独立于燃料电池监控系统,在燃料电池外部独立使用。在燃料电池系统在开发以及正常运行的过程中另一个重要的检测装置是电子负载。电子负载基本原理是模拟燃料电池将要为之供电的负载或者常见负载来检测质子交换膜燃料电池单体电池系统在对应不同负载的情况下的输出电压和电流以及功率。这对于在开发过程中燃料电池系统的实际输出功率范围的测定是非常重要并且有效的。本文的研究就是基于用良好的监测系统来保证燃料电池系统正常运行以及良好运行的目的,在实验室研发的质子交换膜燃料电池系统的基础上,进行了PEMFC单体电池电压检测器和电子负载的开发。综上,我的主要工作是:1.单体电池电压检测器的硬件设计,实现燃料电池堆的单体电池电压的巡回检测;2.电子负载的硬件设计;3.探讨进一步的优化方案,进一步提升检测模块的可靠性和经济性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概论
• 1.2 燃料电池系统简介
• 1.2.1 燃料电池原理及燃料电池系统构成
• 1.2.2 燃料电池的分类
• 1.2.3 燃料电池的优点
• 1.3 本文纲要
• 第二章 质子交换膜燃料电池
• 2.1 质子交换膜燃料电池介绍
• 2.1.1 燃料电池及质子交换膜燃料电池的背景
• 2.1.2 质子交换膜燃料电池基本原理
• 2.1.3 质子交换膜燃料电池的基本结构
• 2.1.4 质子交换膜燃料电池的优点
• 2.1.5 质子交换膜燃料电池的应用
• 2.1.6 质子交换膜燃料电池的主要技术问题
• 2.2 质子交换膜燃料电池研究概况
• 第三章 燃料电池单体电压检测器的设计开发
• 3.1 单体电压检测的介绍
• 3.1.1 单体电压检测器的功能描述
• 3.1.2 单体电压检测器的设计原则
• 3.2 单体电压检测的常用设计方案及其比较分析
• 3.2.1 机械继电器法
• 3.2.2 差分放大器隔离法
• 3.2.3 电压分压法
• 3.2.4 光电继电器隔离法
• 3.3 质子交换膜燃料电池单体电压检测器设计方案
• 3.3.1 燃料电池单体电压检测器原理介绍
• 3.3.2 燃料电池单体电压检测单板的介绍及模块划分
• 3.3.3 燃料电池单体电压检测器控制板的介绍及模块划分
• 3.3.4 整个燃料电池单体电压检测器的工作原理
• 第四章 电子负载的设计
• 4.1 电子负载的介绍
• 4.1.1 电子负载的背景介绍
• 4.1.2 电子负载的原理介绍
• 4.2 电子负载设计方案的相关硬件介绍
• 4.2.1 达灵顿晶体管
• 4.3 电子负载的设计方案
• 4.3.1 本文描述的电子负载设计方案特点
• 4.3.2 直流电子负载的设计原理
• 4.3.3 电子负载的运行原理
• 4.3.4 本文所描述的电子负载外观图
• 4.4 电子负载装置设计的注意事项
• 4.5 电子负载的运行准备
• 4.5.1 与供电系统的连接
• 4.5.2 接地
• 4.5.3 与周围噪音的隔离
• 4.5.4 与负载的连接
• 4.6 电子负载所测数据的用途
• 4.6.1 OCV
• 4.6.2 电池内阻（欧姆电阻）
• 4.6.3 极限电流
• 4.6.4 寿命的计算
• 4.7 电气测试系统的注意事项
• 4.7.1 负载线接线的注意点
• 4.7.2 检测线接线的注意点
• 4.7.3 电流测量
• 4.8 I-V 测试时的燃料/空气条件
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文