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    燃料電池發電系統前端DCDC變換器的研究

    發布時間:2020-09-09

      燃料電池發電系統前端DCDC變換器的研究

     燃料電池是一種將化學能直接轉化為電能的裝置,是一種高效的綠色能源,具有功率密度大、高效潔凈、運行穩定可靠等優點,日益受到人們的青睞,成為最有前景的能源技術之一。

     但燃料電池本機輸出電壓一般不高,輸出的直流電壓隨著負載的變化有很大的變動范圍,因此在燃料電池發電系統中,具有升壓穩壓功能的功率變換是其重要組成部分。燃料電池輸出的電壓必須經過具有升壓穩壓功能的功率變換裝置,將不穩定的直流電變換成符合要求的直流或交流電。

    本文主要研究了燃料電池發電系統中的直流變換器。首先,本論文介紹了燃料電池的原理、特點和選題意義,并對質子交換膜燃料電池的輸出特性做了分析。其次,列舉并比較了常見的DC/DC變換器的拓撲結構和性能,借鑒國內外在燃料電池系統中直流變換器上的研究和創新成果,根據燃料電池的輸出特性及電動汽車的特點,選用Boost 型電路結構作為直流變換電路。再次,本課題的設計目標:將5 KW質子交換膜燃料電池組的輸出電壓,轉換成375V左右的電壓,為5KW輕型車輛提供主動力。根據對Boost電路原理的分析,推導并設置電路主要元件的參數,利用Multisim、Matlab/Simulink軟件進行建模和仿真,觀察并分析輸出電壓、紋波電壓、開關管電壓和電流等波形,分析該方案的可行性和不足之處。


    燃料電池簡介

    依據電解質的不同,燃料電池分為五大類,堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)及質子交換膜燃料電池(PEMFC)等,其特性見表1-1[2]。

    1-1 主要燃料電池及其特性

    電池類型

    AFC

    PAFC

    MCFC

    SOFC

    PEMFC

    燃料

    純氫

    天然氣、氫

    天然氣、煤氣、沼氣

    天然氣、煤氣、沼氣

    氫、甲醇、天然氣

    氧化劑

    純氧

    空氣(氧氣)

    空氣(氧氣)

    空氣(氧氣)

    空氣(氧氣)

    工作溫度(℃)

    50-220

    150-220

    650左右

    900-1050

    60-80

    效率

    6090%

    3742%

    >50%

    5065%

    4358%

    應用領域

    太空飛行、國防

    熱電聯產電廠

    聯合循環熱電廠、電廠船、鐵路用車

    電廠、家庭電源

    汽車、潛水艇、移動電話、筆記本電腦、家庭加熱器、熱電聯產電廠

    開發狀態

    宇宙航行

    工業用200KW電池

    280KW~

    2MW試驗電廠

    100KW試驗電廠

    家庭電源、汽車、熱電聯產、計算機電源、手機電源等

        質子交換膜燃料電池工作溫度低、結構緊湊、質量輕、啟動速度快,且使用無毒性的固態電解質膜,可以做到真正的零排放,而且適宜于頻繁啟動場合、具有比其它類型的燃料電池更高的功率密度,在航天、航海以及電動汽車方面有著巨大的市場潛力,其發電技術的應用研究已在世界范圍內掀起高潮,成為當前國際上燃料電池研制開發的熱點。

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