千瓦级燃料电池发电系统建模与设计——毕业论文.docx

1、武汉理工大学毕业设计（论文） I 毕业设计（论文） 题 目 千瓦级燃料电池发电系统 建模与 设计 学院（系）： 自动化 专业班级： 电气 学生姓名： 指导教师： 武汉理工大学毕业设计（论文） II 摘 要 本 文 基于 matlab 软件 建立燃料电池模型， 并 设计 了 一套燃料电池发电系统。 论文 首先讲述 了质子交换膜燃料电池 PEMFC 的工作原理 ， 然后根据 V-A 特性论述燃料电池输出与纹波 的 关系 ，在比较各种 DC-DC 变换器拓扑优缺点的基础上，找到一个最合适的的 DC-DC变换器，最终借助 matlab 软件 建立 起 包含燃料电池、 DC-DC、蓄电池的系统级模型 。

2、 论文主要研究了燃料电池 易受 负载 变化的 影响的原因 ， DC-DC 变换器 的 理想 结构及其 所应达到的控制目的。 研究结果表明 一个结构合适的 DC-DC 变换器可以作为燃料电池的功率调节系统，将燃料电池较低且不稳定的输出电压提升到一个较高 的 数值 ，并将电压保持在一个稳定的 点，从而有利于负载的正常工作。 本文的特色 是 基于 matlab 软件着重分析了燃料电池模块的组成结构，通过改变燃料电池的燃料流量，观察了燃料电池输出的变化。 关键词： 燃料电池； DC-DC 变换器； matlab； V-A 特性 ；燃料流量 武汉理工大学毕业设计（论文） III Abstract Thi

3、s paper builds a fuel cell model with matlab software and designs a fuel cell power generation system. Firstly, this paper tells about the operational principles of proton exchange membrane fuel cell, and then discusses the relation between output and ripple basing on V/A characteristics of the fuel

4、 cell. on the basis of comparing the advantages and disadvantages of various DC-DC converter topology, this paper aims to find the most appropriate DC-DC converter. Ultimately a system-level model including a fuel cell, a DC-DC converter and a battery will be built .This paper mainly investigates th

5、e reason why fuel cells are susceptible to the changes in load, the ideal structure of DC-DC converter and the control purposes the DC-DC supposed to achieve .The result shows that a suitable DC-DC converter may act as the power conditioning system of the fuel cell, boosting the low and unstable mag

6、nitude of fuel cell output voltage to a higher value and holding the voltage at a stable point, so that its conducive to the normal work of the loads.The unique features of this article are that I analyze the composition and structure of the fuel cell module in detail and observe the output curve of

7、 the fuel cell while changing the flow of fuel. Key Words： fuel cell； V/A characteristics； DC-DC converter； matlab； 武汉理工大学毕业设计（论文） 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 研究的 背景、 目的 和 意义 . 1 1.2 国内外研究现状综述 . 1 1.2.1 国内研究现状 . 1 1.2.2 国外研究现状 . 2 1.2.3 制约我国燃料电池产业发展的主要问题 . 3 1.2.4 PEMFC 的应用前景 . 4 1.3 课题研究 的 内容 及预期目标 . 6 1.

8、3.1 研究的内容 . 6 1.3.2 预期的目标 . 6 第 2 章 燃料电池简介 . 7 2.1 燃料电池的分类与组成 . 7 2.1.1 燃料电池的分类 . 7 2.1.2 燃料电池的组成 . 8 2.1.3 燃料电池的材料 . 8 2.2 燃料电池的基本原理 . 8 2.2.1 燃料电池的 工作原理 . 8 2.2.2 燃料电池的 输出特性 . 9 2.2.3 燃料电池的 输出电流纹波 .11 2.2.4 电流 /功率变化率 .11 2.2.5 电气绝缘 .11 2.2.6 电力变换器的双向性问题 .11 2.3 质子交换膜燃料电池（ PEMFC）简介 . 12 2.3.1 PEMFC

9、 的工作原理 . 12 2.4 总体技术方案及措施 . 13 第 3 章 PEMFC 发电系统的 DC-DC 变换器设计 . 14 武汉理工大学毕业设计（论文） 3.1 DC-DC 变换器综述 . 14 3.1.1 加入 DC-DC 变换器的目的 . 14 3.1.2 对 DC-DC 变换器的要求 . 14 3.2 待选择的 DC-DC 变换器拓扑 . 14 3.2.1 boost 升压斩波电路 . 14 3.2.2 推挽式 DC-DC 变换器 . 15 3.2.3 全桥 DC-DC 变换器 . 15 3.3 方案比较 . 16 第 4 章 燃料电池发电系统的建模与仿真 . 17 4.1 燃料

10、电池模型 . 17 4.1.1 燃料电池模块的内部结构 . 17 4.1.2 燃料电池参数的算法 . 20 4.1.3 燃料电池模块的参数设置 . 23 4.2 流量调节模块 . 23 4.3 DC-DC 变换器模型 . 25 4.4 整体模型 . 26 4.5 仿真结果与分析 . 27 第 5 章 总结 . 30 参考文献 . 31 致谢 . 32 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 研究的 背景、 目的 和 意义 如今 ， 煤、石油等 传统 的 化石能源日益枯竭， 随着 全球性的能源危机、 生态问题 和 环境污染 愈发严重， 风能、太阳能等可再生能源以及燃料电池等绿

11、色能源的 开发与利用 逐渐受到人们的重视 。 燃料电池 能 通过 电化学反应方式将化学能 直接 转化为电能 ， 具有 高效、清洁等优势，在未来有望成为一种 广泛利用的 能源形式。在质子交换膜燃料电池 （ PEMFC）中， 湿度 、 气压 等 调节量 都是由机械装置 控制的， 这些装置反应速度 有限， 使得 燃料电池动态响应 较慢 。 负载 突变时 ，燃料电池的输出电压、输出电流要经过一段 较长 的时间（秒级）才能建立起来。 与此 同时，在新稳态建立以前 ， 燃料 电池 内 可能因为局部温度、气压和 湿度等 因素超标而影响其 寿命 ；再者， 燃料电池的输出电压较低并在一定范围内浮动。因此，为了保

12、证燃料电池输出 较高且 稳定的直流电，必须配以 功率调节部分 来改善系统的输出性能，并配以蓄电池 将负载电压钳住， 保证 燃料电池输出功率稳定在一个点 。 1.2 国内外研究现状综述 1.2.1 国内研究现状 1958 年 ， 国内 开始 了 燃料电池 领域 的研究 ， 最早开展 MCFC 研究 的是 原电子工业部天津电源研究所 1。 70 年代 应 航天事业 发展的需要 ，中国燃料电池的研究 达到 第一次高潮1。 在此期间， 中科 院大连化学物理研究所研制成功 了 两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统 ，它们都 通 过了例行的航天 环境模拟试验 1。 1990 年 中科 院长春应用化学研究

13、所接受 了中科院 PEMFC 的研究任务， 而 直接 甲醇 质子交换膜燃料电池的研究 于 1993 年开始进行 1。电力工业部 哈尔滨 电站成套设备研究所于 1991 年研制出由 7 个单电池组成的MCFC 原理性电池 1。 “八五 ”期间，中科院大连化学物理研究所、 上海 硅酸盐研究所、化工冶金研究所、 清华大学 等国内十几个单位 联合 进行了 有关 SOFC 的研究 1。到 90 年代中期，国家科技部与中科院将燃料电池技术列入 “九五 “科技攻关计划，中国 因此 进入了燃料电池研究的第二个高潮 1。 我国的 科学 工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展， 也 积累了一定经验。

14、但是， 多年来 我国 在燃料电池研究方面投入 的 资金 过少 ，燃料电池技术的总体水平与 发达国家 尚有较大 的 差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视， 1996 年和 1998年两次在 香山科学会议 上对中国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的 必要性 和 重要性 1。近几年中国加强了在 PEMFC 方面的研究力度。2000 年 大连 化学物理研究所与中科院电工研究所已完成 30kW 车用用燃料电池的全部试验武汉理工大学毕业设计（论文） 2 工作，北京富源公司当时也宣布 2001 年将提供 40kw 的中巴燃料电池，并接受订货 1。科技部副部长徐冠华当时

15、也在 EVS16 届大会上宣布，中国将在 2000 年装出首台燃料电池电动车 1。 10 年前，我国生产不出 1 台几千瓦的燃料电池堆，现在却可以生产出几百千瓦的燃 料电池电堆，且体积功率密度和质量功率密度、寿命、效率 等 都有较大提高，燃料电池大巴车、小客车在奥运会上示范运行取得成功 1。目前我国有规模的燃料电池生产厂家达到 6 家，能够研发燃料电池的高等院校有 60 多所 1。哈尔滨工程大学、北京理工大学、中国科学院大连 化学物理研究所等单位相继成功组装了 PEMFC 单体、电动车用 PEMFC 石墨电 池 堆和千瓦级质子交换膜燃料电池组，电池组的性能已达到国际先进水平，具备了商业开发的条

16、件 1。燃料电池汽车时 “十五 ”期间全国 12 个重大研究专项之一 1。上海大众汽车还成立了 100 多人的专业队伍，投资约 10 亿元研发电池汽车 1。 1.2.2 国外研究现状 1839 年 , 英国科学家 Grove 率先 介绍了燃料电池的原理性实验 1。 20 世纪 60 年代 ，燃料电池 第一次 应用在美国航空航天管理局 (NASA)的阿波罗登月飞船上作为辅助电源 ， 为人类登上月球做出了积极贡献 ， 燃料电池的研究进入了快速发展阶段 ， 后来称这一时期为燃料电池开发的空间时代 1。 1973 年 , 在全球能源危机的刺激下 ， 为了提高能源利用率 ，研究重点从航天转向地面发电装置

17、 ， 磷酸燃料电池 (PAFC)、 熔融碳酸盐电池 (MCFC)以及直接采用天然气、煤气和碳氢化合物作燃料的固体氧化物燃料电池 (SOFC)作为电站或分散式电站相继问世 ， 燃料电池的研究与开发掀起了新高潮 ， 这一时期称为燃料电池开发的能源时代 1。其后 ， 随着能源危机的缓解 ， 燃料电池的研究也随之冷淡下来 1。 20 世纪 80 年代末 期 , 环境污染问题逐步恶化。 1987 年 , 美国公布了来自发电站和交通运输方面的废气 ，如 CO、 NOx、 SOx、粉尘等污染物几乎相等 ， 且总量超过大气中污染物的 90%， 以提高能源利用率、减少环境污染为目标的燃料电池研究开发工作引起了各

18、国政府及科学家的重视 ，促进了燃料电池开发的环境时代的到来 1。 1993 年 , 加拿大 Ballard 电力公司展示了一辆零排放、最高时速为 72 km/h、以质子交换膜燃料电池 (PEMFC)为动力的公交车 ， 引发了全球性燃料电池电动汽车的研究开发热潮 1。 发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，已取得了许多重要成果，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上 1。值得注意的是这种重要的新型发电方式可以大大降低 空气污染 及解决电力供应、电网调峰问题， 2MW、 4.5MW、 11MW 成套 燃料电池发电

19、设备已进入商业化生产，各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成 1。燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆 21 世纪新能源与环保的绿色革命 1。如今，在 北美 、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追武汉理工大学毕业设计（论文） 3 的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为 21 世纪继 火电 、 水电 、 核电 后的第四代发电方式 1。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，它已

20、是能源、电力行业不得不正视的课题。 目前国内外研究较多、技术上较为成熟的是质子交换膜燃料电池 , 质子交换膜燃料电池技术最早应用在人造卫星和航天器上作为电源使用 , 在航天器被地球挡住阳光不能使用太阳能电池时可使用燃料电池 1。后来由于化石能源的紧缺和减少污染、保护环境的要求越来越高 ,人们开始将燃料电池应用在各种交通工具上。由于 燃料电池 的低热、低噪特性 ,使其具有极强的隐蔽性 , 因此许多国家还将燃料电池用作潜水艇的动力。由于燃料电池大规模集中供电易造成设备故障、长距离输送成本高、损耗大等原因 ， 越来越多的人们认识到采用燃料电池小范围分布式供电是未来供电的可行模式 ,将燃料电池作为小型

21、电站或工业通讯、民用备用电源也是很好的应用方向 1。因此燃料电池应用于汽车工业已获得日益广泛的重视与应用。由于燃料电池汽车可以实现零排放 ,驱动系统几乎无噪音 ,且氢能取之不尽用之不竭 ,因而燃料电池汽车一问世即成为各国汽车企业关注的焦点 1。为了获得竞争优势 ,各国纷纷出台政策 ,加速推进燃料电池关键技术的研发 1。 2008 年 5 月 , 欧盟议会通过了氢能源和燃料电池联合技术发展计划 ， 提供 10 亿欧元科研经费 ， 用于燃料电池技术的研究 ; 英国、德国、法国等国家也在近期加大了对氢燃料电池的研发资助力度。美国能源部制订的 “ 氢计划 ”， 在未来 5 年内投入 30 多亿美元开发

22、氢燃料技术 ， 逐步加大燃料电池汽车的市场份额。世界各大汽车厂商如通用 、 宝马、奔驰、丰田、三菱、福特、现代等 ， 都组织了很强的人力、物力来研发燃料电池汽车 ， 仅美国通用汽车公司投入到燃料电池研发的人员就有 600 多人 ,使得燃料电池的发展速度大大加快 1。 1.2.3 制约我国 燃料电池 产业发展的主要问题 目前我国燃料电池的研究方向主要在燃料电池的应用方面 ,投入的人力、资金大多集中在如何应用于汽车上作为动力让汽车跑起来 ,如何用在通讯机站上 , 并能够快速 切换 电源 ; 而燃料电池生产企业在提高燃料电池性能、寿命、降低成本方面的研发工作也大多集中在如何改善气道、提高催化剂的均匀

23、性和生产工艺的研究上 1。目前我国质子交换膜燃料电池尚未实现市场化 ， 无论是燃料电池发动机、备用电源还是电站 ,都只是由政府买单的研发示范项目的少量应用 ， 还谈不上商业化市场运行 ,能真正运行测试的也只有燃料汽车。燃料电池汽车是清洁能源汽车发展的最终目标 ， 由于材料技术等方面的原因和生产技术水平还不高 ， 体积能量密度和质量密度还不高 ， 燃料电池微型化的技术进步缓慢。要想进一步提高性能、提高寿命和降低成本 ,主要精力应该放在燃料电池的四大主材上 ， 如果这四大主材在性能上没有新的突破、没有新功能材料的出现、没有材料的国产化 ， 那么要想达到上述目标几乎是不可能的 1。首先 ， 从技术上

24、 ， 新概念的产生、发展与完善是燃料电池发展的关键。其次 ， 材料科学是燃料电池发展的基础。一种新的、性能优良的材料的发现并在燃料电池中的应用 , 将会促进燃料电池的飞速发展。 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 现在质子交换膜主要是从美国 DuPont 公司进口 ， 碳纸主要从日本东丽公司进口 ， 而这 2 家公司卖给我国企业的价格比卖给他们本国或其他国家的价格要高出许多 ， 这种现象大 大制约了中国燃料电池技术的发展 1。我国燃料电池的发展要向高性能、高寿命、低成本的方向发展 ,这就要求我们要加大燃料电池用材料研发力度 ,加快燃料电池原材料的国产化步伐。虽然我国也有企业在研制质子交换膜、碳纤

25、维材料、催化剂和石墨材料 , 但由于国家在这方面的支持力度没有像支持燃料电池生产企业的力度那样大 ,所以企业本身研发新材料的积极性不高 ,致使我国燃料电池 企业 生产了 10 多年还没有能够用上国产四大主材中的三大主材 1。 影响燃料 电池产业化技术发展的因素 ,除了材料的问题 ,还有配套系统的设备问题。由于 燃料电池 供气系统中空气压缩机不能提供足够压力和足够流量的空气 ,致使有些厂家牺牲掉燃料电池的效率去配套汽车的要求。因此为了达到设计功率就势必要增加膜电极数量 ,这样做虽然可以解决空气泵配套问题 ,却也大大增加了成本、降低了功率密度。所以说燃料电池技术的发展是一个多学科、多领域共同协作研

26、发的系统工程。需要国家看清形势、出面协调、统筹调控、掌握好燃料电池整体行业发展的脉搏、支持重点、带动全面 ,才能有效推动氢能与燃料电池产业的健康发展。 1.2.4 PEMFC 的 应用 前景 与其它种类的燃料电池相比， PEMFC 具有可在室温下工作 、 启动迅速 、 功率密度高 、重量轻 等特点 ，适用于对体积和重量有严格要求的场合；可在较大的工作电流下工作； 对于 瞬态过程适应性好；非额定工况时有良好的性能；固态膜电解质无污染、不怕振动等诸多优点。基于上述原因 PEMFC 特别适用于电动汽车作为动力源以及潜艇 AIP 推动、便携式电源、分布式家用电源、卫星飞船和太空基地以及清洁电站等方面的

27、应用。 （ 1）燃料电池汽车 在氢燃料电池电动汽车的应用方面，继 2005 年 11 月的 “第 39 届东京车展 ”上，丰 田汽车、本田及戴姆勒 -克莱斯勒等多家厂商展出了燃料电池概念车后，本田公司 2006 年 9 月又推出其最新款燃料电池车 “ FCX 概念车 ” 。 22006 年 11 月的 “ 北京车展 ” 上，上海通用联合通用汽车展出了雪佛兰 Sequel 氢燃料电池车，宣称是世界上最先进的氢燃料电池车型，加满氢燃料后，续驶里程可达空前的 480 公里 2。丰田也展出了新概念车 Fine-T，使用丰田最新的燃料电池技术 2。 2007 年，本田公司又宣布以三年每月 600 美元的

28、租用契约，在美国南加州出租全新 FCX Clarity 燃料电池车。美国通用汽车也在 2007 年 11 月于加州、纽约、首府华盛顿推出 100 辆燃料电池车，并在 2008 年的日内瓦车展上通过展示凯迪拉克 PROVOQ 燃料电池概念车显示自己在燃料电池技术领域的领先优势 2。 2008 年 6 月，丰田宣布新一代燃料电池车取得重大技术突破，与上一代车型相比，新一代 FCHV-adv 采用全新设计的 FC Stack 燃料电池组，提升了燃料电池车在行驶里程上的限制，新车的续航距离也从过去的 330 公里提高到 830 公里 2。 2011 年 5 月，在德国柏林举行的第十一届武汉理工大学毕业

29、设计（论文） 5 必比登挑战赛上，上海牌 Plug-in 燃料电池轿车、燃料电池轿车、及荣威 350 纯电动汽车等三款新能源汽车，组团参加了此次挑战赛的各项角逐，取得了总共 6A 的优异成绩，并在燃料电池汽车组拉力赛中，逐鹿群雄，位列总分第三，仅次于丰田和奥迪 2。在 2011 年秋季举办的第 11 届东京汽车展上丰田汽车公开了燃料电池汽车的概念 “ FCV-R” 。 2012年美国丰田销售公司的社长兼 CEO 吉姆 兰兹 (Jim Lentz)于 8 月 8 日在美国密歇根州开 办的汽 车相关研讨会上宣称丰田将在 2015 年向市场投放氢燃料电池汽车 2。 （ 2）便携式移动电源 PEMFC

30、 在用作便携式移动电源方面，据 CMIC 预计全球静止式燃料电池市场将从 2008年 20 亿美元增大到 2013 年 100 亿美元，便携式燃料电池 2013 年市场将达 250 亿美元 2。目前美国 H-Power 公司和加拿大 Ballard 公司目前研制的 35250W 便携式 PEMEC 电堆系统 已接近商业化阶段，系统采用压缩氢气或金属氢化物的方式为系统提供燃料，并且H-Power 的 Power PEMTM 系列已经成功应用在笔记本电脑、摄像机、残疾人轮椅等装置上 2。除此之外， Ballard 公司还与 Ball Aerospace 和 Hydrogen Consultants

31、 公司合作，为美国国防部研制了 100W 的 PEMFC 系统，该系统采用常压空气作为氧化剂和冷却剂 2。 （ 3）家用电源及分布式发电 在家庭用电源及分散式电站方面，德国柏林在 2000 年年底建成了欧洲首座 250KW 质子交换膜燃料电池电站，该电站由 Ballard 公司与其合作者 ALSTOM 提供，被认为是质子交换膜燃料电池技术在欧洲商业化的关键一步，该系统可以采用甲烷、丙烷或氢气为燃料 2。 2000 年 1 月，巴拉德公司和日本东京燃气公司 (Tokyo Gas)、 EBRAR 公司以及 EBARA BALLARD公司合作，为日本研制 1kW 的住宅用质子交换膜燃料电池电源系统

32、2。截止 2008年底，日本家庭拥有超过 3000 台质子交换膜燃料电池热电联供装置（ CHP），可以使家庭的主要能源用量减少 24%，二氧化碳排放量减少 39%， 2009 年日本加速了家用燃料电池Ene-Farm社区燃料电池计划的发展， 2009 年销售 5000-6000 台家用燃料电池，且认可率高达 70%以上 2。 （ 4）通信备用电源 在通信备用电源领域，由于传统的备用电源如铅酸电池、柴油发电机等，已经渐渐满足不了当今飞速发展的电信网络电力供应需求，适当规模的燃料电池供电系统成为了一个较新的选择 2。 2008 年，美国能源部（ DOE）公布了一项加速固定燃料电池在通信备用电源领域商业化的基金， 2009 年 PEMFC 供电系统制造商 ReliOn 和 Altergy 以及氢气和储氢罐供应商美国空气化工公司获得了这笔基金 2。另外，印度的 ACME 集团和 IdaTech 于2008 年签订了多达 30000 台的 5KW 燃料电池系统，用于印度的电信市场 2。我国对采用燃料电池作为通信备用电源的研究活动也在积极的开展， 2009 年武汉市江夏区梁子湖移动通信基站安装了我国第一台商业化通信基站燃料电池备用电源，这也是我国通信领域走向绿色环保的重要标志 2。