质子交换膜燃料电池测控系统研究

发布时间：2020-10-13 06:19

　　 作为人类社会赖以生存的三大资源,能源、物质和信息总是在互洽中共同演进。其间,能源与动力系统的先发性变革,往往会带来物质的制造、转化、运输和信息的获取、处理、传输的重大革新。世界发展历史表明,唯有引领世界能源技术创新,才可能实现大国崛起,因此能源发展是一个不可小觑的国家性问题。作为清洁能源的质子交换膜燃料电池,由于其优点颇多,目前已成为动力电源、备用电源及储能充电等领域备受青睐的产品。但质子交换膜燃料电池因其是一个多输入多输出、具有时变特性、分布参数特性、随机干扰的多耦合的复杂电化学装置,因此对其进行检测和控制具有一定的复杂性。故十分有必要对其测控系统进行深入的研究,以期提高电池性能,加快其商业化进程,从而更好助力人类社会的发展。本文首先对质子交换膜燃料电池工作原理进行简要阐述,然后围绕燃料电池温度、气体压力还有模块特性这三方面进行详细介绍,分别分析了其对燃料电池性能影响的重要性,最后对燃料电池各子系统,即温度调节系统、燃料及其循环系统、氧化剂及其循环系统、控制及检测系统进行概述,分别讨论了其在燃料电池大系统中的作用,同时为本文后面燃料电池温度实验系统搭建、温度控制策略研究、单片电池电压巡回检测做好铺垫。温度作为影响燃料电池输出性能的一个重要因素,如不对其进行良好的控制,则会造成电解质膜的脱水、收缩甚至破裂,同时还会造成燃料电池"水淹",严重影响燃料电池的性能和系统的安全。因此本文设计质子交换膜燃料电池温度特性实验来对其进行具体分析。该实验可以测得不同负载电压下,燃料电池单电池温度与电流密度的关系曲线,通过对实验所得曲线进行详细讨论、分析,得出不同负载电压下的最佳工作温度等结论。可为燃料电池控制最佳输出提供依据,同时实验所获得的曲线、数据可以为燃料电池温度控制建模提供良好的数据支持。建立了可应用于质子交换膜燃料电池温度控制的经验模型,通过模型核函数的改变与对比,得出基于傅里叶拟合的经验模型最佳。运用MATLAB/Simulink仿真平台对所搭建的模型进行仿真实验,通过改变拟合阶次,得出3次拟合模型能同时兼顾响应速度与控制精度的要求。最后通过仿真所得的大量数据,得到质子交换膜燃料电池最佳工作温度-功率密度曲线,可以为后续电池堆或大电池系统的温度控制和最大输出功率点跟踪提供理论指导。设计开发出用于质子交换膜燃料电池的单片电池电压巡检系统,分别从硬件、软件部分对该系统进行详细阐述。同时对一个有15片单电池组成的电池组来进行试验,用巡检系统测得的数据与FLUKE 87型高精度数字电压表进行对比,验证了该系统的有效性与可操作性,证明该系统的实用价值,可为燃料电池稳定工作提供重要参考。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TM911.4
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 燃料电池发展及研究现状
        1.2.2 燃料电池测控系统研究现状
    1.3 本文研究目的及主要内容
第2章 PEMFC工作原理、特性及系统概述
    2.1 质子交换膜燃料电池工作原理
        2.1.1 质子交换膜概述
        2.1.2 质子交换膜燃料电池工作原理分析
    2.2 质子交换膜燃料电池特性简述
        2.2.1 质子交换膜燃料电池温度特性
        2.2.2 质子交换膜燃料电池压力特性
        2.2.3 质子交换膜燃料电池模块特性
    2.3 质子交换膜燃料电池系统概述
        2.3.1 温度调节系统
        2.3.2 氢气及其循环系统
        2.3.3 氧化剂及其循环系统
        2.3.4 控制及检测系统
    2.4 本章小结
第3章 PEMFC温度特性实验及分析
    3.1 质子交换膜燃料电池热工分析
    3.2 实验系统设计及测试方案
        3.2.1 实验系统设计
        3.2.2 实验测试方案
    3.3 实验结果分析讨论
    3.4 本章小结
第4章 PEMFC温度控制模型建立与仿真
    4.1 质子交换膜燃料电池模型简介
    4.2 质子交换膜燃料电池经验模型建立
    4.3 基于三种核函数模型的对比及讨论
        4.3.1 三种核函数模型
        4.3.2 拟合模型评判标准
        4.3.3 三种核函数拟合模型对比
    4.4 温度模型的仿真及验证
        4.4.1 温度系统仿真步骤简介
        4.4.2 温度模型仿真实验及结果分析、验证
        4.4.3 最佳工作温度、功率密度曲线
    4.5 本章小结
第5章 PEMFC单电池巡检系统
    5.1 影响燃料电池性能的主要因素
    5.2 质子交换膜燃料电池单电池电压巡检系统
        5.2.1 SCVM总体结构设计
        5.2.2 SCVM硬件部分设计
        5.2.3 SCVM软件部分设计
    5.3 SCVM系统测试实验
    5.4 本章小结
结论
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

【参考文献】

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本文编号：2838846