质子交换膜燃料电池气体供给系统研究与设计

摘要

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)具有功率密度高、工作温度低、发电效率高和无污染等显著特点，受到了世界各国的广泛关注。本文主要针对质子交换膜燃料电池供气系统对质子交换膜燃料电池性能和输出功率的影响及对现有常用的控制算法应用到供气系统控制中存在的问题进行了研究，通过分析提出了改善供气系统的控制策略和优化算法，并取得了好的控制效果。本文主要对质子交换膜燃料电池气体供给系统进行了研究与设计，具体内容如下： 1）在调研了质子交换膜燃料电池气体供给系统国内外研究现状的基础上，本文提出影响燃料电池输出特性的重要问题——燃料电池气体供应的控制问题。 2）根据系统的总体设计方案，在Matlab/Simulink环境搭建气体供给系统的气体动态模型和燃料电池输出电压模型，分析了气体流量、压力的变化对燃料电池输出特性的影响。 3）在气体供给系统气体动态模型仿真分析结果的前提下，提出了对阴极气体流量控制的两种算法：模糊PID控制算法和自适应广义预测控制算法。通过对这两种控制算法在燃料电池负载变化时气体动态响应的快慢比较分析，最终本文采用自适应广义预测控制算法。 4）结合质子交换膜燃料电池气体供给系统的总体设计方案，对系统的软硬件进行设计。其中硬件设计包括CPU的选型、空气压缩机的选型、气体流量计的选型、电子节气门的选型、传感器的选型、CAN通信及接口电路的设计、电源模块的设计、空压机和电子节气门驱动电路的设计、D/A模块的电路设计，软件设计包括ADC采样的软件设计、CAN通信软件设计、基于LabVIEW软件的上位机界面设计、基于LabVIEW电子节气门和空气压缩机软件设计。 5）完成质子交换膜燃料电池气体供给系统设计之后，搭建了气体供给系统的测试平台；对流量计和电子节气门进行标定；现场测试了PEMFC气体供给系统在电池堆负载变化时，气体的流量和压力的变化对电池堆输出特性的影响，并结合实验数据分析产生影响的原因。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 本章小结

第2章 燃料电池气体供给系统结构与方案

2.1 燃料电池基本结构及工作原理

2.2 燃料电池气体供给方案系统总体方案设计

2.3 气体压力对燃料电池输出特性影响分析

2.4 本章小结

第3章 PEMFC气体供给系统建模与仿真分析

3.1 气体供给系统模型分析

3.2 质子交换膜燃料电池输出电压模型

3.3 PEMFC模型的建立与仿真分析

3.4 本章小结

第4章 PEMFC气体供给系统控制算法研究

4.1 PEMFC气体供给系统控制分析

4.2 模糊PID控制算法研究

4.3 广义预测控制算法研究

4.4 控制效果仿真

4.5 本章小结

第5章 PEMFC气体供给系统软硬设计

5.1 系统硬件设计

5.2 系统软件设计

5.3 上位机软件设计

5.4 PEMFC气体供给系统现场测试

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录A 系统部分原理和模型图