燃料电池延迟特性和燃料电池-蓄电池混合供电系统研究

摘要

绿色清洁能源是当前世界各国关注的焦点。作为一种可以直接将氢能转化成电能的电化学发电装置,质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)以其清洁、高效、低噪、工作温度低等优势成为相关领域中最受关注的新能源之一。然而PEMFC在电气输出特性上存在的电压变化范围较大,输出特性较软,对负载突变响应明显滞后等不足之处,阻碍了PEMFC迈向商业化的步伐。在实际应用中,需加入直流变换器和其他辅助电源,并使用适当的控制方式来减小PEMFC输出的波动幅度和频率,才能保证PEMFC长期、稳定、经济地向负载供电。
　　 本文通过分析燃料气体在PEMFC电池堆内部管道的流动和分布情况,得出氢气分压值和各单池反应处距进气口的通道长度是影响单池动态特性的两个关键因素。在深入研究PEMFC系统冷启动过程的基础上,得出单池间ENernst项的动态特性因电池堆自身结构及环境因素影响而无法同步进行是导致PEMFC系统在电气输出上存在延迟特性的根本原因。并提出一种用以描述单池滞后时长与PEMFC特定参数之间关系的定性函数。另外,在延迟特性实验中,观察到了部分单池在启动时存在“反极”现象,并用等效内阻的思想解释了这种现象产生的原因。阐明了PEMFC输出电流维持稳定对提高供电系统整体性能上的必要性。
　　 为了延长使用寿命、降低制造和维护成本、减小FC输出电流的波动幅度,本文提出了一种具有效率高、所需元件少、成本低和控制简单等特点的双输入降压直流变换器电路拓扑,并在此拓扑结构基础上设计了一套能量管理策略和闭环反馈控制方案,实现了保证系统输出电压稳定的同时,通过控制蓄电池对不足能量的补偿或对多余能量的吸收来维持PEMFC输出电流恒定的目标,从而最大程度地减小了电流纹波,延长了PEMFC使用寿命,降低了系统成本,避免了PEMFC电气延迟特性对整个系统性能的不利影响。
　　 在理论分析和系统设计的基础上,开发了一台500W的原理样机,并编写了一套适用于TI公司数字信号处理器TMS320F2808的控制程序,用于整个系统的运行、调试、监测和保护等。通过实验验证了所设计的双输入降压直流变换器拓扑结构、闭环反馈控制方式以及能量管理策略的正确性和可实现性。系统实际运行性能符合预期要求,证明了此套硬件电路和运行控制程序系统具有实际研究及应用价值。