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氢能燃料电池电能变换技术研究

2020-12-14阅读(761)

氢能燃料电池电能变换技术研究

论文摘要

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。

论文目录

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

    • 相关论文文献

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