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燃料电池发电系统前端DCDC变换器的研究

发布时间:2020-09-09

  燃料电池发电系统前端DCDC变换器的研究

 燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置,是一种高效的绿色能源,具有功率密度大、高效洁净、运行稳定可靠等优点,日益受到人们的青睐,成为最有前景的能源技术之一。

 但燃料电池本机输出电压一般不高,输出的直流电压随着负载的变化有很大的变动范围,因此在燃料电池发电系统中,具有升压稳压功能的功率变换是其重要组成部分。燃料电池输出的电压必须经过具有升压稳压功能的功率变换装置,将不稳定的直流电变换成符合要求的直流或交流电。

本文主要研究了燃料电池发电系统中的直流变换器。首先,本论文介绍了燃料电池的原理、特点和选题意义,并对质子交换膜燃料电池的输出特性做了分析。其次,列举并比较了常见的DC/DC变换器的拓扑结构和性能,借鉴国内外在燃料电池系统中直流变换器上的研究和创新成果,根据燃料电池的输出特性及电动汽车的特点,选用Boost 型电路结构作为直流变换电路。再次,本课题的设计目标:将5 KW质子交换膜燃料电池组的输出电压,转换成375V左右的电压,为5KW轻型车辆提供主动力。根据对Boost电路原理的分析,推导并设置电路主要元件的参数,利用Multisim、Matlab/Simulink软件进行建模和仿真,观察并分析输出电压、纹波电压、开关管电压和电流等波形,分析该方案的可行性和不足之处。


燃料电池简介

依据电解质的不同,燃料电池分为五大类,碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等,其特性见表1-1[2]

1-1 主要燃料电池及其特性

电池类型

AFC

PAFC

MCFC

SOFC

PEMFC

燃料

纯氢

天然气、氢

天然气、煤气、沼气

天然气、煤气、沼气

氢、甲醇、天然气

氧化剂

纯氧

空气(氧气)

空气(氧气)

空气(氧气)

空气(氧气)

工作温度(℃)

50-220

150-220

650左右

900-1050

60-80

效率

6090%

3742%

>50%

5065%

4358%

应用领域

太空飞行、国防

热电联产电厂

联合循环热电厂、电厂船、铁路用车

电厂、家庭电源

汽车、潜水艇、移动电话、笔记本电脑、家庭加热器、热电联产电厂

开发状态

宇宙航行

工业用200KW电池

280KW~

2MW试验电厂

100KW试验电厂

家庭电源、汽车、热电联产、计算机电源、手机电源等

    质子交换膜燃料电池工作温度低、结构紧凑、质量轻、启动速度快,且使用无毒性的固态电解质膜,可以做到真正的零排放,而且适宜于频繁启动场合、具有比其它类型的燃料电池更高的功率密度,在航天、航海以及电动汽车方面有着巨大的市场潜力,其发电技术的应用研究已在世界范围内掀起高潮,成为当前国际上燃料电池研制开发的热点。

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