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1、 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘 要 摘 要 固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种发电效率高、环境友好的绿色能源。在固体氧化物燃料电池发电系统中， DC-DC 变换器是非常关键的环节， 对整个系统的成本、性能尤其是效率有很大的影响。因此综合考虑各方面因素，设计符合要求的 DC-DC变换器显得十分重要。 本文首先以燃料电池发电系统对 DC-DC 变换器的特殊要求为前提， 并针对 1kw固体氧化物燃料电池系统电堆输出特性参数，选择了推挽正激变换器（PPFC） 。该变换器由推挽电路变化而来，特别适用于 SOFC 发电系统 DC-DC 变换器工作的低压大电流场合。随后探讨了在电路
2、中加入 CDD 缓冲电路抑制副边整流二极管电压尖峰，并详细分析带双 CDD 缓冲电路的推挽正激变换器工作原理。 根据电路工作原理分析，并结合 1KW 固体氧化物燃料电池发电系统 DC-DC 变换器输入输出参数，对推挽正激变换器进行了详细的硬件电路设计和器件选型。根据所设计的变换器电路参数，搭建基于 Saber 仿真软件的开环仿真模型，分析并验证推挽正激变换器电路工作状态， 着重验证了 CDD 缓冲电路抑制整流二极管电压尖峰的效果。搭建实验平台，分析一台 1KW 固体氧化物燃料电池发电系统逆变器样机的工作情况。 最后分析推挽正激变换器的不足，探讨改进的方案和电路，作为 1KW 固体氧化物燃料电池
3、发电系统 DC-DC 变换器进一步优化与设计工作的前瞻与参考。 关键词关键词：固体氧化物燃料电池 推挽正激变换器 CDD 缓冲电路 saber 仿真 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract Abstract There are many advantages of SOFC(solid oxide fuel cells),it is a high efficiency power generation and environmentally friendly green energy. In the SOFC power generation system,DC-
4、DC converter is a very crucial aspect, and has a great impact on whole systems cost, performance,and efficiency in particular.Therefore, considering various factors, design the DC-DC converter to meet the requirements has became really important. In this thesis, firstly gives an analysis of the spec
5、ial requirements to the DC-DC converter in SOFC power generation system, and considers output characteristics of 1kw fuel cell system,selects the push-pull forward converter (PPFC).This converter improves from push-pull circuit, particularly suitable for the low-voltage high-current occasion,where t
6、he DC-DC converter of SOFC power generation system works in.And then discusses the adding of CDD buffer circuit into converter to restrain rectifier diode peak voltage,and gives a detailed analysis of working principle of push-pull forward converter with double CDD buffer circuits. According to work
7、ing principle of the circuit,and combined with input and output characteristics of DC-DC converter in 1kw SOFC system,gives detailed hardware parameters design and devices selection of the push-pull forward converter. According to the design parameters of converter circuit,structures the SABER-based
8、 open-loop simulation model,gives an analysis and verifies the working status of the push-pull forward converter circuit,focusing on the verification of the effect of CDD buffer circuit to restrain rectifier diode peak voltage. Analyzes a inverter prototype working condition in 1KW SOFC power genera
9、tion conversion experiment platform. Finally, gives an analysis of the shortages of push-pull forward converter,and discusses the improving scheme and circuit,as the forward-looking and reference of 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIIfurther optimization and design for the DC-DC converter in 1KW SOFC power
10、generation system. Key words：SOFC Push-Pull Forward converter(PPFC) CDD buffer circuit saber simulation 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 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留、使用学
11、位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关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。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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。 保密，在_年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密. （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪 论 1 绪 论 1.1 固体氧化物燃料电池1.1 固体氧化物燃料电池(SOFC)概述 概述 固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将化学能直接转化为电能
12、的发电装置，属于第三代燃料电池， 被普遍认为在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池1。 固体氧化物燃料电池单电池只能输出约 1V 左右的电压，而且功率有限，为了提高输出电压和功率以使其能够被实际利用，最常见的办法是将若干形状、规格均相同的单电池依次堆叠起来(相当于串联)组成燃料电池堆。固体氧化物燃料电池堆的结构主要有：管状、平板型和整体型三种，其中平板型因功率密度高和制作成本低而成为发展的趋势2，本文所研究的华中科技大学 1kw 固体氧化物燃料电池堆采用的就是平板型结构。 目前应用最广泛的质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为车载燃料电池使用， 功率一般在
13、10KW 以上。而固体氧化物燃料电池的应用通常定位在家庭独立供电和移动电源上，所以要求电堆体积小，由此燃料电池堆中单电池的片数较少，功率和输出电压较低，而功率密度和输出电流较质子交换膜燃料电池要大3。 固体氧化物燃料电池在固定电站、移动电源、交通运输以及军事等领域有着广泛的应用前景，其成功应用对于缓解能源危机、保护生态环境以及保障国家安全都具有重大的意义4。 1.2 1.2 SOFC 工作原理及特点 工作原理及特点 固体氧化物燃料电池单电池是由阴极（cathode）、阳极（anode）和电解质（electrolyte）组成5，单电池实物图如图 1-1 所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学
14、 位 论 文 2图 1-1 SOFC 单电池实物图 在固体氧化物燃料电池中，燃料和氧气发生电化学反应，由于没有直接燃烧，因而效率比传统的发电方式要高。 电化学反应过程如图 1-2 所示， 反应过程中电子的移动在外电路中形成电流。 H2H2O2O2-外电路ee剩余燃料气H2，H20O2阳极H2 - 2H+ + 2e接触面O2-+ H2- H20 + 2e阴极O2 + 4e - 2O2-O2O2-O2-O2-阴极排放气氧化气（空气或O2）燃料气（H2）总反应H2+ 1/2O2- H20图 1-2 SOFC 电化学反应原理 固体氧化物燃料电池发电过程中能将化石燃料中的化学能直接转换为电能，避免了燃烧
15、过程和机械运动，从而使其具有高效率、零污染、无噪音等特点。与以燃烧为基础的传统发电方式相比，固体氧化物燃料电池技术极大地降低了化石燃料在能量转换中的能量损失和对生态环境的破坏； 与低温工作的质子膜燃料电池 （PEMFC）相比，除其高效率外，固体氧化物燃料电池还避免了只能使用贵金属电极材料（如华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3Pt）的局限性，消除了 CO 对电极的毒化，降低了对燃料质量的要求，增加了燃料选择的灵活性(如天然气、煤气、生物质气体、柴油以及其它碳氢化合物)；与相对高温工作的熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）相比，固体氧化物燃料电池具有更高的功率密度，没有液态的熔盐腐蚀介质
16、，避免了燃料电池材料的热腐蚀。 1.3 SOFC 发电系统 DC-DC 变换器国内外研究现状 1.3 SOFC 发电系统 DC-DC 变换器国内外研究现状 作为固体氧化物燃料电池发电系统中一个非常关键的环节DC-DC 变换器，人们对于它的研究一直在前进，不过总体而言针对固体氧化物燃料电池的 DC-DC 变换器的研究仍处于起步阶段。 目前固体氧化物燃料电池还没有进入到实际应用阶段，因此针对系统中 DC-DC变换器装置的研究和设计基本是在一些大学和少数研究机构中进行。目前走在世界领先行列的是美国和日本，其中美国更是有由能源部和国防部支持的未来能源挑战（Future Energy Challenge）的竞赛，该计划邀请来自全世界的入选大学加入这项面向未来的计划中，资助其进行这方面的研究。在众多大学当中，弗吉尼亚理工大学是在该领域中相对比较有优势的，在 Jason Lai 教授带领下的团队对 5KW
