Development of Fuel Cell Output Performance Simulation System

摘要

随着全球经济的飞速发展，能源危机及环境污染受到人们也来越多的重视。世界各地的众多科学家正在致力于新能源的研究与开发。燃料电池，作为一种新型的电源，越来越受到业内人士的广泛关注。然而，燃料电池成本非常昂贵，而且其控制系统也相当复杂。另外，作为燃料的氢气其置备运输储存也会耗费大量的人力与资金。因此，为了降低燃料电池应用设备的开发成本，提高开发的效益，研究设计与制作一个能代替燃料电池的燃料电池外特性模拟系统具有重要的意义和使用价值。 燃料电池工作时，内部既有化学反应的过程，也有气液二相流及离子电子运动等物理过程，参数耦合性强，建立一个精确的数学模型实属不易，要准确描述燃料电池的输出特性也非常困难。本文针对低功率燃料电池的工作原理、工作特性，大量的实验数据及经验公式，推导出了简化的燃料电池数学模型，使其尽可能的反应出燃料电池的工作特性。 以此简化的数学模型为基础，充分利用DSPIC30F4013及LabView的相关功能，完成了可以对燃料电池输出特性进行实时计算的DSP下位机软件，以及能更方便的收集及观察系统数据的LabView上位机软件界面，使得整个系统更加友善实用。 整个系统的硬件由电源、降压斩波器、DSP控制器等部分组成，由220VAC供电。通过DSP控制器控制降压斩波器的PWM信号的占空比，使其输出相应的燃料电池特性。以此达到模拟燃料电池外特性的目的。 最后对系统的软硬件进行了测试，验证了本文所使用的数学模型在燃料电池正常工作区间的准确性，验证了该系统能很好地模拟燃料电池的工作特性，同时也证实了系统软硬件的可行性、可靠性，对系统的动静态特性也进行了实验测试与分析。虽然在测试中系统出现不少问题，使其无法准确的模拟燃料电池所有的工作状态，但是相信通过进一步研究、改进、优化，这些问题也将会得到圆满的解决。

目录

文摘

英文文摘

声明

Chapter 1 Introduction

1.1 Fuel Cell Background

1.2 Background of DSP (DSPIC)

1.3 Background of LabView

1.4 Significance and Objectives

Chapter 2 Basic Fuel Cell Theories

2.1 Fuel cell theory

2.2 Fuel Cell Model

2.2.1 Benefits of Fuel Cell Model

2.2.2 Fuel Cell Model

2.3 Simplify the Model

Chapter 3 Design of Fuel Cell Output Performance Simulated System

3.1 Function of the System

3.2 Function of DSP

3.3 Function of LabView

3.3.1 Basic Function

3.3.2 Arrays and Graphs

3.3.3 Writing to a Spreadsheet File and Analog Input VI' s

Chapter 4 System Development

4.1 Hardware Development

4.1.1 Power Supply

4.1.2 Buck Converter

4.1.3 DSPIC Controller

4.2 Software Development

4.2.1Dspic Software

4.2.2 LabView Software

Chapter 5 Result of Experiment

5.1 Fuel Cell Performance Curve

5.2 Dynamic Response Curve

5.3 Upper Computer Interface

Conclusion and Future Work

Acknowledgements

Reference

Papers and Achievement during Master