（电力电子与电力传动专业论文）燃料电池eps逆变器研究.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a ct a sa l le l e c t r o c h e m i s t r yd e v i c e f u e lc e l lt e c h n o l o g i e sa r ea w a r d i n go n eo fm o s t p r o m i s i n gp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g i e si n2 1c e n t u r yd u et oi t sh i 曲e f f i c i e n c ya n d u n i q u ee n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yf e a t u r e s w i t ht h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u sg l o b a le n e r g y c r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fr e n e w a b l e e n e r g ys o u r c e sb e c o m em o r ea n dm o r ew i d e l y i n2 1c e n t u r y t h eh y d r o g e nw i l lb et h e m a i ne n e r g yc a r r i e rt h a tc a nb et u m e dt o g e t h e rw i t ho x y g e nt oo m n i p o t e n te l e c t r i c i t y w ec a l l e di tt h eh y d r o g e ne r a f i r s t l y t h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c hs t a t u so ff u e lc e l l a n di t su s i n g t e c h n o l o g i e s a r es u m m a r i z e d c o m p e n d i o u s l y t h e d i s s e r t a t i o na n a l y s e st h e c h a r a c t e r i s t i co ff u e lc e l la n dt h ea d v a n c e m e n to fu t i l i z a t i o no f f u e lc e l l t e c h n o l o g i e s a n di l l u s t r a t e dt h es i g n i f i c a n c ea n dd e s t i n a t i o no ff u e lc e l lt e c h n o l o g y r e s e a r c hd e f i n i t e l y s e c o n d l y t h et h e s i se x p l a i n s t h e p r i n c i p l e o ff u e lc e l l g e n e r a t i o n a n d d e m o n s t r a t e st h ec h a r a c t e ro ff u e lc e l lm o n o m e ro u t p u tt h r o u g hm a t l a bs o f t w a r ei n d e t a i l s t h eo u t c o m eo fs i m u l a t i o na b o u tt h ef u e lc e l li sv e r yh e l p f u lf o rd e s i g n i n g t h ef u e lc e l li n v e r t e r t h i r d l y a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r so fe p s e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y t h e d i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h en e e d so fi n v e r t e rb a s e do na n a l y s i so fs e v e r a lt o p o l o g y s t r u c t u r e s t h e n af u e lc e l li n v e r t e rt o p o l o g yi sp r o p o s e df o re p ss y s t e m m e a n w h i l e t h et h e s i sd e t e r m i n a t et h ep a r a m e t e ro ff u l lb r i d g e c h a r g i n gc i r c u i ta n d s t a r tc i r c u i ts e p a r a t e l y f o u r t h l y t h em o d u l a t i o na l g o r i t h ma n dt h ec l o s el o o ps t r a t e g y o fd c a c c o n v e r t e ra r es t u d i e d t h ep e r f o r m a n c eo fo u t p u tp w mw a v e f o r mi sa r g u e db y f o u r i e ra n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n b o t ho ft h e ma r ei l l u s t r a t e dt h ew e l lp e r f o r m a n c e c o n t r o l l e db yt h i sm e t h o d m e a n w h i l e t h ec l o s el o o ps t r a t e g yi m p r o v e st h eo u t p u t w a v e f o r ma n de n h a n c e st h es t a b i l i t i e sa n dr e l i a b i l i t i e so fo u t p u tw h e nd cv o l t a g eo r l o a df l u c t u a t e s f i n a l l y a5k v af u e lc e l lp r o t o t y p em a c h i n ew a sm a d e i th a sb e e nr u n n i n gi n n i s s i ne l e c t r i ci nw u x ic i t y t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nw h i c ha c c o r d 上海大学硕士学位论文 w e l lv a l i d a t et h a tt h es c h e m eo ft h i si n v e r t e rs y s t e mi ss u c c e s st of i tt h ed e s i g na i m k e y w o r d s f u e lc e l l i n v e r t e rs y s t e m e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y s t a n d a l o n e g e n e r a t i o n i l 原创性声明 本人声明 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果 参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名 日期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学 校有权保留论文及送交论文复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可 以公布论文的全部或部分内容 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名 蛆一导师签名 堡逝日期 上海大学硕上学位论文 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1能源 环境问题与可再生能源的发展 人类的物质文化在过去2 0 0 年中发生的变化远高于前5 0 0 0 年 直至1 8 世纪 人类的生活方式实质上与古代的埃及人和美索不达米亚人的生活方式相同 然而 今天 金属和塑料补充了石块和木头 铁路 汽车和飞机取代了牛 马和驴 蒸 汽机 内燃机和原子动力代替风和人力来推动船只 大量合成纤维织物与传统的 棉布 毛织品和亚麻织物竞争 电使蜡烛黯然失色 并已成为只要按一下开关 便可释放能量的动力之源 随着人类对能源的贪婪 不可再生资源正以前所未 有的速度消耗着 目前全球能耗的7 5 来自化石能源 主要是煤炭 石油和天 然气 到2 0 2 0 年全球能耗将增长到大约1 9 5 亿吨标煤当量 全世界石油的可开 采储藏量约为9 0 0 亿吨 按年生产量约为3 0 亿吨计算 仅能维持3 0 年左右 天 然气的可开采储量约为1 1 x 1 0 6 亿立方米 年消费量约为2 x 1 0 4 亿立方米 也仅 能维持5 5 年左右 煤炭的可开采储量虽然比较丰富 约为1 5 x 1 0 4 亿吨 年消费 量约为5 0 亿吨 但也只能维持3 0 0 年左右比1 因此寻求以清洁 可再生能源为主的能源结构将成为未来发展的必然 2 0 0 5 年2 月1 6 日联合国宣布1 9 9 7 年在日本东京通过的 京都议定书 的正式生效 世界各国纷纷将可再生能源的研究与使用提高到国家战略发展的高度 同时 我 国人大常委会也在同年制订了 可再生能源法 并在全国十大省市推行 绿色 g d p 试点 减排温室气体 保护生态环境 改善能源结构 开发利用可再生 能源 走可持续发展道路 已成为全世界人民的共同愿望 1 1 2 氢能与燃料电池发电技术 随着不可再生能源的日益耗尽 人类必须走可持续化发展战略 利用科技手 段开发可再生能源 可再生能源是指在自然界中可以不断再生 永续利用 取之 不尽 用之不竭的资源 迄今为止几种比较有发展前途的新能源包括 氢能与燃 上海大学硕士学位论文 料电池技术 风能 太阳能 地热能 生物质能 海洋能等 其中氢能与燃料电 池技术与风能 太阳能 地热能 海洋能相比不受地理限制 输出能量可控 发 电方式灵活 完全适合当今分布式发电趋势的要求 2 l 世纪被誉为 氢能时代 氢是未来能源的主要载能体 太阳能 风能等其他能源过剩时 通过其他手段将 其能量转化成氢 也就储存了能量 氢作为能源载体具有 清洁 轻便 分布广 储量丰富 无毒 能量比高等优点 而燃料电池技术是与其最紧密相连的技术之 一 燃料电池是一种电化学的发电装置 其发电过程不经过热机过程 不受卡诺 循环限制 能量转换效率高 效率可达4 0 6 5 热电联供或与其它技术结合 时其效率会更高 而且燃烧后的产物洁净 几乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物 如表1 1 所示燃料电池与火力发电的大气污染比较 噪声低 模块结构 积 木性强 既可以集中供电 也适合分散供电 受国内外广泛关注 被认为是2 l 世纪继水力 火力 核能之后第四代发电技术和替代内燃机动力的技术 陟刀 表1 1 燃料电池与火力发电的大气污染比较 单位 k g k w h 污染成分 天然气火力发电l 重油火力发电 煤火力发电 燃料电池 s 0 2 2 5 2 3 04 5 5 08 2 0 0o 旬 1 2 n o 1 8 0 03 2 0 0 3 2 0 06 3 1 0 7 烃类2 0 1 2 7 0l3 5 5 0 0 03 0 1 0 44 1 0 2 尘末 o 9 04 5 3 2 03 6 5 6 8 0 0 0 1 4 1 2 燃料电池技术 蚴1 1 2 1国外燃料电池发展的现状和趋势 1 8 3 9 年 英国科学家g r o v e 首先在伦敦演讲厅介绍了燃料电池的原理并用 以铂为电极催化剂的氢氧燃料电池点亮了演讲厅的灯 1 8 8 9 年m o o d 和l a n g e r 首先采用了燃料电池这一名称 并获得2 0 0 m a m 2 电流密度 由于发电机和电极 过程动力学的研究未能跟上 燃料电池的研究直到2 0 世纪5 0 年代才有了实质性 的进展 英国剑桥大学的b a c o n 采用多孔气体扩散电极制备了具有实用功率水平 的培根型碱性燃料电池 a f c 2 0 世纪6 0 年代 燃料电池首次应用在美国航 2 上海人学硕士学位论文 空航天管理局 n a s a 的阿波罗登月飞船上作为辅助电源 为人类登月做出了积 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 s p a c ee r a 1 9 7 3 年 在全球能源危机的刺激下 为了提高能源利 用率 研究重点从航天转向地面发电装置 磷酸燃料电池 p a f c 熔融碳酸盐 电池 m c f c 以及直接采用天然气 煤气和碳氢化合物作燃料的固体氧化物燃 料电池 s o f c 作为电站或分散式电站相继问世 燃料电池的研究与开发掀起 了新高潮 这一时期称为燃料电池开发的能源时代 e n e r g ye r a 其后 随着能 源危机的缓解 燃料电池的研究也随之冷淡下来 8 0 年代末期 环境污染问题 逐步恶化 1 9 8 7 年美国公布了来自发电站和交通运输方面的废气 如c o n o x s o x 粉尘等的污染物几乎相等 且总量超过大气中污染物的9 0 以上 以提高 能源利用率 减少环境污染为目标的燃料电池研究开发工作引起了各国政府及科 学家的重视 促进了燃料电池开发的环境时代 e n v i r o n m e n t a le r a 的到来 随着人们对环保问题的重视和可持续发展理念渐入人心 以及燃料电池产业 所具有的潜在优势 发达国家企业界正纷纷斥以巨资 从事燃料电池技术的研究 与开发 并已取得了许多重要成果 富士电机公司是目前日本最大的p a f c 电堆供应商 截至1 9 9 2 年 该公司 已向国内外供应了1 7 套p a f c 示范装置 富士电机在1 9 9 7 年3 月完成了分散型 5 m w 设备的运行研究 作为现场用设备已有5 0 k w l o o k w 及5 0 0 k w 总计8 8 种设备投入使用 表1 2 所示 表1 2 现场用p a f c 燃料电池的运行情况 容量台数 累计运行时间 h 最长累计 h 最长连续 1 1 l 万h 2 万h 3 万h 5 0 l i w6 61 0 1 8 4 1 l3 3 6 5 57 0 9 85 41 5 4 1 0 0 k w1 92 7 4 0 5 l3 5 6 0 76 9 2 61 1 4 3 5 0 0 k w34 3 4 3 71 6 9 1 04 2 1 430 0 东芝公司从7 0 年代后半期开始 以分散型燃料电池为中心进行开发以后 将分散电源用1 1 m w 机以及2 0 0 k w 机形成了系列化 l l m w 机是世界上最大的 燃料电池发电设备 从1 9 8 9 年开始在东京电力公司五井火电站内建造 1 9 9 1 年 3 上海大学硕士学位论文 3 月初发电成功后 直到1 9 9 6 年5 月进行了5 年多现场试验 累计运行时间超 过2 万小时 在额定运行情况下实现发电效率4 3 6 在小型现场燃料电池领域 1 9 9 0 年东芝和美国i f c 公司为使现场用燃料电池商业化 成立了o n s i 公司 以后开始向全世界销售现场型2 0 0 k w 设备 p c 2 5 系列 p c 2 5 系列燃料电 池从1 9 9 1 年末运行 到1 9 9 8 年4 月 共向世界销售了1 7 4 台 其中安装在美国 某公司的一台机和安装在日本大阪梅田中心的大阪煤气公司2 号机 累计运行时 间相继突破了4 万小时 著名的加拿大b a l l a r d 公司在p e m f c 技术上全球领先 现在它的应用领域 从交通工具到固定电站 其子公司b a l l a r dg e n e r a t i o ns y s t e m 被认为在开发 生 产和市场化零排放质子交换膜燃料电池上处于世界领先地位 在b m l a r d 公司的 带动下 许多汽车制造商参加了燃料电池车辆的研制 例如 c h r y s l e r 克莱斯 勒 f o r d 福特 g m 通用 h o n d a 本田 n i s s a n 尼桑 v o l k s w a g e n a g 大众 和v o l v o 富豪 等 它们许多正在使用的燃料电池都是由b a l l a r d 公司 生产的 同时 它们也将大量的资金投入到燃料电池的研制当中 克莱斯勒公司 最近给b a l l a r d 公司注入4 亿5 千万加元用于开发燃料电池汽车 大大的促进了 p e m f c 的发展 1 9 9 7 年 t o y o t a 公司就制成了一辆凡w 4 型带有甲醇重整器的 跑车 它由一个2 5 k w 的燃料电池和辅助干电池一起提供了全部5 0 k w 的能量 最高时速可以达到1 2 5 k m h 行程可达5 0 0 k m 为鼓励燃料电池技术的开发与应用 美国自1 9 9 7 年由总统克林顿颁发了 改 善气候行动计划 燃料电池被确定为一项关键技术 同时联邦政府为此制定了 一项 美国联邦燃料电池发展计划 目的是通过燃料电池的商业化来减少温室 气体排放量 对于家庭用户 美国还专门出台了燃料电池汽车税收减免政策 政 策规定 购买经过认证的燃料电池汽车可以取得一定的税收抵扣 美国甚至将它 列为2 7 项涉及国家安全技术之一 目前 美国在p e f c 的开发方面已经商业化 它面向家庭用分散式电源 实现热电联供 p l u gp o w e r 公司与g e 合作 使1 0 k w p e f c 价格达至u 7 5 0 1 0 0 0 k w 大批量生产后 p e f c 的价格可以降至u 3 5 咖 同时 美国能源部也相继出台了 美国向氢经济过渡的2 0 3 0 年远景展望报告 计划燃料电池汽车的市场份额到2 0 3 0 年达到全部汽车销售的2 5 日本政府在1 9 8 1 年设立了以开发节能技术为宗旨的 月光计划 将燃料电 4 上海人学硕士学位论文 池技术定为2 1 世纪能源环境领域的核心 此后 日本国内的电力公司 煤气公 司和一些大型的制造厂纷纷投入燃料电池的研究开发 并与美国i f c 合作 使日 本的p a f c 得到更大的发展 目前 日本的p a f c 技术已赶上了美国 商业化程 度超过了美国 日本在新一轮的 新阳光计划 中 日本经济产业省确定到2 0 3 0 年将燃料电池汽车的普及率提高到2 0 以上 数量达到1 5 0 0 万辆 同时将研发 预算增加到2 2 亿美元 欧洲的燃料电池发电技术落后于美国和日本 1 9 9 0 年成立了一个 欧洲燃 料电池集团 e f c g 重新开始燃料电池发电技术的研究 欧盟委员会也于2 0 0 7 年1 0 月公布了有关推广 清洁和安全型汽车 的立法建议 在 燃料电池和氢 技术的联合倡议 中 提出在未来6 年中斥资4 7 亿欧元用于鼓励燃料电池汽车 的技术研发和推广使用 计划在2 0 1 5 年前花3 4 亿美元从事氢能源方面的研究 此外 韩国 巴西等国家也积极投入科技力量从事燃料电池发电技术的研究 中去 1 2 2国内燃料电池发展的现状和趋势 我国的燃料电池研究始于1 9 5 8 年 原电子工业部天津电源研究所最早开展 了m c f c 的研究 7 0 年代在航天事业的推动下 中国燃料电池的研究曾呈现出 第一次高潮 其间中国科学院大连化学物理研究所成功研制两种类型的碱性石棉 膜型氢氧燃料电池系统 k w 级a f c 而且均通过了例行的航天环境模拟试验 1 9 9 0 年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院p e m f c 的研究任务 1 9 9 3 年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池 d m f c 的研究 电力工业部哈尔滨 电站成套设备研究所于1 9 9 1 年研制出由7 个单电池组成的m c f c 原理性电池 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单位进行了与s o f c 的有关研究 到9 0 年代中期 由于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 中国进入 了燃料电池研究的第二个高潮 质子交换膜燃料电池被列为重点 以大连化学物 理研究所为牵头单位 在中国全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池 系统的研究 并组装了多台百瓦 l k w 2 k w 5 k w 和2 5 k w 电池组与电池系统 其中5 k w 电池组包括内增湿部分其重量比功率为1 0 0 w k g 体积比功率为 5 上海大学硕士学位论文 3 0 0 w l 我国在燃料电池汽车上也有了长足的进步 第三代燃料电池汽车 超越3 号 最高时速达到1 2 0 k m h 加速到1 0 0 k m h 只需1 6 s 总续航里程高达2 3 0 k i n 超 越了b a l l a r d 公司的同代产品 新一代燃料电池汽车在2 0 0 7 年 必比登 国际清 洁汽车挑战赛上完成了拉力赛以及性能测试等全部赛程 技术水平进入国际先进 行列 在刚刚圆满结束的北京奥运会上 已经有2 5 辆燃料电池汽车 1 1 0 辆混 合动力汽车投入奥运使用 2 0 0 9 年 上海也启动了 零排放燃料电池公共汽车 商业化项目 在上海的街头就可以看到排放水蒸气尾气的混合型燃料电池公共 汽车 为了鼓励我国燃料电池产业的发展 国家发改委相继发布了 产业结构调整 指导目录 和 新能源汽车生产准入管理规则 同时对于消费者提供优惠的购 车税收政策 并规划总投资2 0 亿元在江苏宜兴建立国家氢燃料电池产业基地 为我国的燃料电池产业布置了一个巨大的舞台 1 3 论文选题意义和主要研究内容 在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天 燃料电池发电成为世界各国争 相发展的可再生能源之一 燃料电池技术是一个多学科交叉 复杂的综合技术 其中燃料电池逆变技术是整个发电系统的核心部分之一 关系到逆变系统的利用 率 可靠性 灵活性和供电质量 逆变技术的研究和发展 能够促进燃料电池产 业以及氢产业的发展 对于我国能源结构调整 改善生活环境有着重要意义 本课题来源于与上海交通大学 日本日新电机合作的 5 k v a 燃料电池逆变 器 项目 以燃料电池为对象 分别对燃料电池系统冷启动 智能充电控制策略 独立发电系统拓扑结构与控制方法等问题进行了深入研究 主要进行的研究内容 包括 1 阅读了国内外相当数量的有关燃料电池技术研究与发展文献资料 分析 了燃料电池相对于传统能源以及其他新能源的优势 及技术特点 指出国内外燃 料电池技术的研究现状和发展趋势 2 详细论述了燃料电池本体的工作原理及其化学电特性 深入分析了燃料 6 上海大学硕十学位论文 电池单体的电特性 使用s i m u l i n k 仿真工具对燃料电池模型进行了仿真研究 从 而对燃料电池的电特性有了全面深入的了解 为设计燃料电池逆变器奠定了基 础 3 深入分析了燃料电池变换器的几种拓扑结构 针对燃料电池e p s 系统特 点 设计出燃料电池逆变器系统 并对全桥变换器 蓄电池充电控制及系统启动 电路进行了分析和计算 4 研究了燃料电池d c a c 变换所采用的调制算法和闭环控制策略 通过对 调制算法进行的傅里叶分析证明 证明了本调制算法的优越性 采用反馈控制闭 环控制策略能很好地消除了负载以及母线电压波动对输出电压产生的影响 提高 了逆变器的输出性能及系统可靠性 5 制作了一台5 k v a 燃料电池发电逆变器 实验结果与仿真研究相吻合 从而验证了本研究方案的正确性和有效性 7 上海大学硕上学位论文 第二章燃料电池基本原理及其特性分析 2 1 引言 燃料电池是一种不经过燃烧 将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的电 化学反应装置 是燃料电池发电系统的核心部件之一 由于其电化学反应的复杂 性 输出电压 功率等直接受到燃料电池极板 结构 催化剂 反应压力 反应 温度以及负载条件等的影响 因此 对燃料电池输出特性进行必要的分析和了解 具有重要的意义 本章简要介绍燃料电池基本发电原理 并根据电解质不同 对燃料电池进行 分类说明 采用s i m u l i n k 仿真工具对系统所用p e m f c 燃料电池进行仿真研究 并总结了燃料电池输出特性 2 2 燃料电池本体工作特性 2 2 1 燃料电池发电原理及分类 燃料电池是以氧化还原反应为基础的 把化学能直接转变成电能的装置 英 国科学家w i l l i a mg r o v e 于1 8 3 9 年在世界上首次成功地进行了氢氧燃料电池的实 验 图2 1 为燃料电池基本反应原理 总化学反应方程为 2 皿 0 2 寸2 h 2 0 2 1 在酸性电解质燃料电池 图2 1 a 的阳极 氢分子离子化 释放出电子并 产生氢离子 也称质子 2 马专4 日 和一 2 2 这个反应释放出能量 在阴极 氧气结合电极上的电子和电解质中的氢离子生成 水 q 匏一 4 h 专2 皿d 2 3 为了使这些反应能连续发生 在阳极产生的电子要通过外部电路达到阴极 而氢离子必须通过电解质到达阴极 酸性液体中存在的自由氢离子能够很好地达 8 上海大学硕士学位论文 到这个目的 某些聚合物也能存在可以移动的氢离子 这种聚合物就被称作质子 交换膜 d 2 和一 4 d 2 4 e 一 2 h 2 a 酸性电解质燃料电池电极反应 一0 4 h 2 0 4 e 一 b 碱性电解质燃料电池电极反应 图2 1燃料电池基本反应原理示意图 同样地 在碱性燃料电池 图2 1 b 中总反应方程是相同的 但每个电极 上的反应不同 在碱性电解液中 氢氧根离子是可以自由移动的电荷 它在阳极 与氢反应 放出能量和电子 并产生水 2 日2 4 0 h 一寸4 h 2 0 4 e 一 2 5 阴极上氧和电极上电子及电解质中的水反应 形成新的氢氧根离子 q 4 e 一 2 心d 寸4 0 h 一 2 6 阳极氢气反应放出能量 但是任何化学反应发生的前提是分子的能量必须越 过活化能的能垒 如果反应分子不能得到足够的能量来越过活化能的能垒 那么 反应就进行得很慢 除非在很高的温度下进行反应 否则反应很难快速进行 燃 料电池也是如此 提高反应速率的三个最主要方法是 a 使用催化剂 b 提 9 上海 学颂士学位论文 燃料电池尤为适用 1 a 平 亍淘槽流场0 单通道蛇形流场 c 多通道蛇形平行流场 摩恒 h 网络状流场 0 长形平行流场 图2 2 极板流场构造实例 一般燃料电池采用双极板结构 极板上刻有沟槽 沟槽有多种形式如图2 2 所示 使反应气体通过并达到极板 常用的极板流场结构可以增大电极反应面 积 同时分隔氧化剂和还原剂 还具有收集电流 导热作用 图2 3 所示为燃料 电池结构以及燃料电池本体外形 a 燃料屯池结构m 燃料电池本体 剧2 3 燃料电池结构及燃料电池本体 燃料电池有多种类型 燃料电池依据电解质的不同 可分为碱性燃料电池 a f c 磷酸型燃料电池 p a f c 熔融碳酸盐燃料电池 m c f c 固体氧化 物燃料电池 s o f c 及质子交换膜燃料电池 p e m f c 等 其主要分类 丌发 上海人学硕士学位论文 状态和应用范围如表2 1 所示 表2 1 燃料电池发电的主要类型 低温燃料电池中温燃料电池高温燃料电池 6 m 1 2 0 1 6 m 一2 2 0 6 0 0 l 0 0 0 c 类墅a f cp e m f cd e m f cp a f cm c f cs o f c 汽车 潜水 便携式电子 太空飞 艇 便携式电热电合并电厂 热电合并电厂 热电合并电厂 复 应用 设备 军用电 行 国防 子设备 家用 子设备电源 复合电厂复合电厂合电厂 家用电源 电源 开发 在太空 3 c 产品 汽主要运用于商用p c 2 5 t m d 2 5 0 k w 的m c f c 1 1 0 k w 的试验电 飞行中 车 公共汽车手机 笔记型型 具有2 0 0 k w结合t u r b i n e 复合厂和 状态测试 2 5 0 k w计算机电池功率 成本约为发电测试 3 m ws o f c g 1 3 0 0 k w 的应用 分散型电站 等小型电池 15 0 0 美元 k w的试验电j 至1 m w 电厂测试 启动快 不适合 启动快 与常发电效率低 发电效率相对启动时间长 腐 电池外型设计有 特性 规技术相比且甲醇会穿弹性 废热町利 于t 业 较低蚀性电解液 应用 很贵透薄膜用 材料限制大 电解 氯氧化质子可渗透碱金属或碳 体磷酸锂和碳酸钾固体陶瓷体 液 钾溶液膜酸盐 氢 叶 酹大然天然气 煤气 天然气 煤气 沼 燃料纯氢甲醇 天然气 氢 气沼气 氢气 氢 电效 率 6 m 7 0 4 3 5 8 3 0 3 7 4 2 5 似5 0 6 5 2 2 2 燃料电池输出特性 燃料电池电功率和能量用 吉布斯自由能 烟 有效能 这几个概念 给出 吉布斯自由能是指 可以用来做外功的能量 但不包括因压力和体积变化 而做的功 燃料电池外功是指电子在外电路中移动所需的功 而不包括任何从 输入到输出之间因体积变化而产生的功 焖或有效能是指可以利用的所有能做 的外功 包括因体积和压力变化所做的功的能量 焓是吉布斯自由能加上与熵有 关的能量 所有形式的 化学能 在比较重要的两个方面都类似于普通的机械 势能 能量的零点可以定义在任何位置 依靠化学反应工作时能量零点一般定义为纯单 质的能量 并且通常是指在标准温度和压力下 2 5 0 1 m p a 纯单质的能量 当采用这个规定时 就用 吉布斯生成自由能 g f 来代替 吉布斯自由能 类似地 我们用 生成焓 代替 焓 对于在标准温度和压力下 s t p 标准 温度和压力 工作的普通氢气燃料电池 这意味着输入的 吉布斯自由能 为零 上海大学硕士学位论文 在燃料电池中 释放的能量等于吉布斯生成的自由能的变化 g f 这个变化 等于产物与反应物的吉布斯自由能之差 a g f g f 产物 一g f 反应物 2 7 一般考虑每摩尔吉布斯生成的自由能的值 这些值用小写字母加 一 表示 如 信 h 2 0 表示水的摩尔吉布斯生成自由能 考虑氢氧燃料电池的基本反应 2 d 2 2 h 2 0 2 8 当产物是l 摩尔h 0 反应物是l 摩尔吼和1 2 摩尔d 2 根据 瓦 岳k 一仨k i 1 悟 k 2 9 a g 随反应物状态变化而变化 氢气燃料电池 每生成1 m o l 水分子便消耗l m o l 氢分子 即2 n 个电子沿外电路移动 其中n 是阿伏加德罗常数 n 6 0 2 1 0 2 3 如 e 是一个电子的电量 e 1 6 x1 0 1 9 那么回路里流动的总电量就是 一2 n e 一2 f 库仑 2 1 0 f 是法拉第常数 或者就是l m o l 电子的电量 e 是燃料电池的电压 那么移动 这些电子所做的电功是 电功 电量x 电压 2 f e 焦耳 2 1 1 如果系统是可逆的 没有能量损失 电功就等于反应放出的吉布斯自由能 a g f 所以 a g t 2 f e e a g f 2 f j 2 1 2 2 1 3 由上式可得氢气燃料电池电动势 e m f 或可逆开路电压的计算公式 对于任何燃料电池每分子转移电子数为z 公式可写成 e 粤 2 z r 对于一个普适反应 j j k k 专m m q 1 5 没种反应物或产物都有 活度 用口示 理想气体 活度可表示为 1 2 上海人学硕士学位论文 口 一p 2 1 6 口2 一p o u 活度与分压成正比 液体活度和溶液的摩尔浓度成正比 水的活度口如d 与水的存 的活度 如果产物是液体水 则水的活度口也d 1 瓦 i 蝴l i 警 亿忉 其中 石为标准压力下摩尔吉布斯生成自由能的变化 对于氢气燃料电池反应 h 2 1o h 2 0 吉布斯自由能 帚帚删n 亿埘 表2 2 吉布斯自由能反应马 妻d 2 专呸d 氢气燃料的吉布斯自由能变 瓦 最 一 大电动势 或可逆开路电压 和最大理论效率 按高热值计算 水的形态 温度 a g f k j m o l 1 最大电动势 最大理论效率 液态 2 5 2 3 7 2 1 2 38 3 液态 8 0 2 2 8 21 1 88 0 气态 1 0 0 2 2 5 21 1 77 9 气态 2 0 0 2 2 0 41 1 4 7 7 气态 4 0 0 2 1 0 31 0 97 4 气态 6 0 0 1 1 9 61 0 4 7 0 气态 8 0 0 1 8 8 60 9 86 6 气态1 0 0 0 1 7 7 4o 9 2 6 2 a g f o 可以从表2 2 中查出 可以看出如果反应物的活度增加 a g f 变 导更d 放出的能量更多 反之 如果产物的活度增加 a g f 也增加 释放的能量就越小 将 2 1 8 代入 2 1 4 中 得出电压和活度关系为 1 3 上海大学硕上学位论文 e 互2 f 材r tl 五c c a 夏o h 2 0 卜甄2 f 五a l l 2 0 仁柳 e 兰堑 一儿j i e 坚l i l f 兰遂l 2 1 9 2 f llii 如果上述反应产物水以气体形式存在 则水的活度口 芬旦 则 2 1 9 唯 n 矧 亿2 a p 吃 胪 d 8 p 其中口 万是与氢气 氧气 水蒸汽的浓度和摩尔质量有关的常数 式 哆阿护r t 仁2 瓦蜘城 1 2 2 9 0 8 5 1 0 3 仃一2 9 8 1 5 4 3 0 8 5 1 0 一r o n e o 5 t n e o 2 2 2 k 吼 v o 圪 1 一p d 2 2 3 其中 v o 是电流密度为0 时的电压降 o 2 7 9 8 5 x 1 0 一p 一2 9 8 1 5 3 0 8 1o 5 爿l n f 姓 1 1 1 n r 坠型趔 i 2 2 4 ii1 0 1 3 2 5j 2 i 1 0 1 3 2 5 川 1 4 上海大学硕 学位论文 l g p 咖 2 9 5 1 0 之仃一2 7 3 1 5 一9 1 8 l o 一5 仃一2 7 3 1 5 2 2 2 5 k 8 1 0 5 1 8 2 志饥j 亿2 6 1 8 x 1 0 4 t 0 1 6 6 急 卜5 8 o 4 n o 5 7 3 6 氏 仁柳 胪瞄习掰荆 q 2 功 b l n l 卜剖 2 3 0 1 5 上海大学硕上学位论文 n l f l c l l l 2 其典型范围是5 0 0 1 5 0 0 m a c m 2 综上 由文献 3 7 可以建立一个关于描述p e m f c 输出工作电压的方程 v e n 一 圪岫一 一 圪 2 3 1 其中 瓦 删 燃料电池开路电压 v 活化极化过电压 v 欧姆极化过电压 v 浓差极化过电势 v 2 3 燃料电池特性仿真分析 2 3 1仿真系统 根据以上分析 得出燃料电池单体输出数学模型表达式 由式 2 3 1 表示 并由此建立燃料电池的s m u l i n k 仿真模型 如图2 4 所示 图中 0 2 p h 2 p 0 2 i n s p e e d h 2 i n s p e e d t e m p e r a t u r e 分别表示氧气压力 氢气压力 氧气流速 氢气流速以及反应温度 通过调整这些参数 我们就可以得出气体压 力以及反应温度相对应的燃料电池输出特性 进而了解燃料电池的输出特性 图 2 5 为模块内部计算模块 通过仿真分析就可以画出燃料电池的输出特性曲线 l 0 2p r e s s u r e p r e s u r e v o l t a g e 叫v o i t a g e 回 h 2p r e s s u r e t ow o r k s p a c e q h 2 1 n s p e e df u e lc e l lm o d e l n s p e e d e 3 0 2 1 n s p e e d l n s p e e d j 叫 j t ow o r k s p a c c u t e m p a r a t u r e s u b s y s t e m 图2 4 燃料电池仿真模型 1 6 上海大学硕 学位论文 图2 5 燃料电池内部仿真图 2 3 2燃料电池单体特性及温度 压力对其输出特性的影响 通常的燃料电池特性由单电池或电堆的极化曲线 z j 曲线 或伏 安特性曲 线1 表示 也就是输出电压和输出电流密度曲线 如图2 6 它能够比较全面的反 应p e m f c 的性能 也标志了p e m f c 的输出功率密度的大小 p e m f c 的输出功 率密度曲线 可以由极化曲线上的电压和电流密度的乘积获得 图中也给出其特 性示意曲线 图2 石燃料电池单体常压条件下的 作特性 上海大学碰 学位论文 从图2 6 可知 p e m f c 的输出特性表现为 随电流密度增加 p e m f c 的输 出电压逐渐减小 印电压损失逐渐增大 在低电流密度区 电化学反应受缓慢 的电极动力学控制 在电极表面上发生活化极化 活化极化直接与电化学反应速 度相关 电压损失主要以活化极化为主 在中等电流密度区 主要的电压损失 是由电解质中离子和电极中电子流动时引起的欧姆阻抗而导致的欧姆极化 进 入高电流密度区 由于电流密度高 需要的反应气体量增大 但反应气体在多孔介 质中受扩散速度限制 无法及时到达反应现场 致使电化学反应难以进行 导致 p e m f c 的输出电压快速下降 所以主要由于反应气体浓度不足而引起的电压损 失称为浓差极化 因此 仿真波形与理论分析一致 同时 从该极化曲线中可以 得出燃料电池输出性能好坏与这三种极化损失大小有关 极化曲线与理想输出电 压的偏差越小 曲线也越趋于平缓 p e m f c 抗负载扰动的能力越强 p e m f c 的 输出性能就越好 对于逆变器而占 要尽量使电池实际运行的极化曲线接近理想 状态 即提高其输出性能 同时保证电池能够在最佳输出性能下长期稳定的运行 当燃料电池处在浓度极化区时 虽然燃料电池有较大的输出功率 但由于输出电 压低 燃料电池的输出电流将会很大 这样有可能会造成燃料电池内部集屯极板 的损坏 所以 燃料电池一般工作在欧姆极化区 这样既考虑到了燃料电池输出 能力 同时也考虑到了燃料电池允许的输出电流极值 幽2 7 温度升高对燃料电池的影响 海大学啦i 学位论文 je 镕 州 图2 8 反戍气体压力对燃料电池的影响 图2 7 为当其他条件不变时 提高反应温度对燃料电池输出v j 特性的影响 图2 8 为其他条件不变时 增加反应气体的压力对燃料电池输出特性的影响 从 两幅图中我们可以得出 随着燃料电池反应温度升高时 或者反应气体压力增大 时 输出特性曲线趋势开始变得平缓 燃料电池在欧姆极化区和浓度极化区的 反应变得更加活跃 减小了燃料电池输出电压的损失 体现了燃料电池输出的征 温度特性以及正压力特性 2 4 小结 燃料电池是逆变系统的能量来源 本章首先对p e m f c 燃料电池的基本原理 做了简单的阐述 并根据其基本反应原理给出了燃料电池输出稳念特性方程 为 燃料电池本体的数学仿真奠定了基础 同时利用仿真工具 描述出燃料电池输出 变化特性 说明了燃料电池的基本性能 仿真结果表明 1 随着燃料电池反应温度以及燃料压力增大 燃料电池输出电压也同时提 高 燃料电池输出电压具有正温度特性以及正压力特性 2 根据 曲线以及p i 曲线分析得出燃料电池主要工作区域为欧姆极化区 在此区域中 燃料电池具有较好的输出电流 电压特性和输出功率特性 同时也反映了逆变器设计 保护的设置 为逆变器设计的奠定了理论基础 上海大学硕上学位论文 第三章燃料电池系统直流变换单元设计 3 1 引言 由第二章对燃料电池单体的仿真分析可知 燃料电池具有效率高 污染小的 特点 但是其工作时输出电压较低 输出易受多方面外界反应条件的影响 不适 宜直接使用 本章首先根据燃料电池的特点对各类拓扑结构进行分析比较 然后 根据本套燃料电池e p s 系统要求提出设计方案并对前端d c d c 变换器 充电 d c d c 变换器以及燃料电池启动d c d c 变换器进行电路设计 顺序控制设计 同 时对铅酸蓄电池管理进行分析 提出了相应的充电控制策略 3 2 燃料电池e p s 系统分析 应急电源 e p s e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y 是以解决应急照明 事故照明 消防设施等一级负荷供电设备为主要目标 提供一种符合消防规范的具有独立回 路的应急供电系统 家庭e p s 系统能够在应急状态下提供电能 用来解决家庭紧 急用电 或代替传统柴油发电机组构成第二电源 或作为需要第三电源的场合使 用 本课题的技术要求是 1 保证燃料电池和负载安全使用 系统输出与输入必须隔离 2 系统出于冷机状态 需设计相应的起动电路使燃料电池能够启动工作 3 输出效率较高 减小运行成本 4 系统设计小型化 便于家庭安装 如图3 1 所示燃料电池e p s 系统包括燃料电池本体 即图中电堆 由8 4 片燃 料电池单体组成 输出电压4 5 一9 0 v 的直流电 空气供给系统 包括风机 焓轮 增湿器 管路 阀门 氢气供给系统 包括高压氢瓶 增湿装置 阀门 管路 冷却系统 包括水箱 水泵 冷却风扇 阀门 管路 逆变器 蓄电池 图3 1 中绿框所示即为本文的设计重点 5 k a 的燃料电池逆变器 其设计性能指标如 表3 1 所示 海 学硕士学位论文 e 圃 豳3 i 燃料电池系统的基本构成 表3 i 燃料电池逆变器设计性能指标 燃料电池 电堆输出电压 4 5 9 0 v 逆变器 额定容量 s 5 k v a 输山电压 纯止弦波输出2 2 0 v c 失真率小于5 稳压精度额定稳定负载下 输出精度不小于 3 保护 蠢i 功能 输入欠压过压保护 输出过载保护 输出短路保护过 启动 软启动功能 避免对蓄电池以及负载大电流冲击 适应温度范围环境温度 5 5 5 上海大学硕士学位论文 7使用海拔 海拔