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1、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1001班 学生姓名： 付 豪 指导教师： 黄 亮 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本
2、学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在10年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：年 月 日导师签名：年 月 日武汉理工大学毕业设计（论文）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
3、。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AbstractThis paper builds a fuel cell model with matlab software
4、 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 cell. on the basis of comparing the advantages and d
5、isadvantages 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 the reason why fuel cells are susceptible to the change
6、s 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 magnitude of fuel cell output voltage to a higher value
7、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 the fuel cell while changing the flow of fuel.Key Wo
8、rds：fuel cell；V/A characteristics；DC-DC converter；matlab；II目 录第1章 绪论11.1 研究的背景、目的和意义11.2 国内外研究现状综述11.2.1 国内研究现状11.2.2 国外研究现状21.2.3 制约我国燃料电池产业发展的主要问题31.2.4 PEMFC的应用前景41.3 课题研究的内容及预期目标61.3.1 研究的内容61.3.2 预期的目标6第2章 燃料电池简介72.1 燃料电池的分类与组成72.1.1 燃料电池的分类72.1.2 燃料电池的组成82.1.3 燃料电池的材料82.2 燃料电池的基本原理82.2.1 燃料电池的
9、工作原理82.2.2 燃料电池的输出特性92.2.3 燃料电池的输出电流纹波112.2.4 电流/功率变化率112.2.5 电气绝缘112.2.6 电力变换器的双向性问题112.3 质子交换膜燃料电池（PEMFC）简介122.3.1 PEMFC的工作原理122.4 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143.1 DC-DC变换器综述143.1.1 加入DC-DC变换器的目的143.1.2 对DC-DC变换器的要求143.2 待选择的DC-DC变换器拓扑143.2.1 boost升压斩波电路143.2.2 推挽式DC-DC变换器153.2.3 全桥DC-DC变换
10、器153.3 方案比较16第4章 燃料电池发电系统的建模与仿真174.1 燃料电池模型174.1.1 燃料电池模块的内部结构174.1.2 燃料电池参数的算法204.1.3 燃料电池模块的参数设置234.2 流量调节模块234.3 DC-DC变换器模型254.4 整体模型264.5 仿真结果与分析27第5章 总结30参考文献31致谢32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，
11、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
12、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
13、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。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30
14、kW车用用燃料电池的全部试验工作，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
