燃料电池发电系统实验平台的研究与开发

摘要

能源的短缺、资源的争夺利用以及不合理使用能源造成的环境污染等问题正威胁着人类的日常生活与社会发展，开发高效、清洁、经济、安全和可持续的优质能源已迫在眉睫。燃料电池具有功率密度大、效率高、清洁、无污染、噪声低等良好性能，受到社会各界广泛关注，有着良好的应用发展前景。
　　 本文旨在设计和开发5KW燃料电池发电系统实验平台，以给高低温燃料电池发电系统建模、控制和优化运行的研究、电堆的设计与制造等提供良好的科研平台。本文主要研究内容概括如下:
　　 (1)设计了5KW燃料电池发电系统实验平台的总体架构。该实验平台具有测试和模拟真实系统两种工作模式，并能支持高温和低温燃料电池发电系统工作。在测试系统工作模式下，可全面检测燃料电池发电系统各种工作参数，从而对燃料电池电堆及发电系统的机理、性能、建模和优化设计等问题展开研究;在模拟真实系统工作模式下，可研究燃料电池独立发电系统的动态建模、控制和优化等问题，特别是配合多能源系统研究动态负载下的进料控制、功率输出稳定性和能量效率优化等问题。
　　 (2)根据实验平台的总体架构，设计和实现了实验平台的进气系统、氮气吹扫系统、气体加湿系统、热管理系统、背压系统、尾气系统、负载系统和多能源系统等。综合了实验平台硬件需求，并对实验平台硬件进行了选型，在此基础上，搭建了实验平台硬件系统，同时详细地介绍了实验平台温度测量模块、气动阀模块、MFC/MFM模块、背压控制模块、微型空气压缩机模块和燃料电池单片电压巡检模块等的硬件实现。
　　 (3)基于LabVIEW开发了实验平台的上位机软件系统，该软件集数据采集、存储与显示、平台运行与控制、状态监控、平台预警等功能于一体，且具有开放的模型和控制算法接口;调试了实验平台的软硬件，并开展了相关的实验。实验表明，整个实验平台能够安全、可靠和稳定地运行，达到实验平台设计要求。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 质子交换膜燃料电池简介

1．2．1 燃料电池发展简述

1．2．2 质子交换膜燃料电池工作原理

1．3 国内外燃料电池系统研究现状

1．3．1 国外燃料电池发电系统研究现状

1．3．2 国内燃料电池发电系统研究现状

1．3．3 燃料电池发电系统实验平台研究现状

1．4 论文主要创新点与研究内容

1．4．1 论文主要创新点

1．4．2 论文研究内容

第2章 燃料电池发电系统实验平台设计

2．1 实验平台设计要求

2．2 实验平台组成与总体架构设计

2．3 测试系统工作模式平台设计

2．3．1 进气系统

2．3．2 氮气吹扫系统

2．3．3 气体加湿系统

2．3．4 热管理系统

2．3．5 背压系统

2．3．6 负载系统

2．4 模拟真实系统工作模式平台设计

2．4．1 进气系统和尾气系统

2．4．2 多能源系统

2．5 小结

第3章 燃料电池发电系统实验平台硬件设计与实现

3．1 技术路线选择

3．1．1 虚拟仪器技术

3．1．2 虚拟仪器构成

3．2 实验平台硬件系统设计

3．2．1 硬件需求综合

3．2．2 硬件选型

3．2．3 硬件系统搭建

3．3 实验平台各模块硬件实现

3．3．1 温度测量模块

3．3．2 气动阀模块

3．3．3 MFC/MFM模块

3．3．4 背压控制模块

3．3．5 微型空气压缩机模块

3．3．6 燃料电池单片电压巡检模块

3．3．7 实验平台其他模块

3．4 小结

第4章 基于LabVIEW的燃料电池发电系统实验平台软件开发

4．1 LabVIEW工作原理

4．2 软件需求分析与架构设计

4．2．1 软件需求分析

4．2．2 软件架构设计

4．3 软件主程序设计与实现

4．3．1 主程序功能模块分析

4．3．2 主程序流程图

4．3．3 主程序界面

4．4 软件核心模块程序设计

4．4．1 数据采集模块

4．4．2 数据存储与显示模块

4．4．3 预警模块

4．4．4 运算与控制模块分析

4．5 小结

第5章 燃料电池发电系统实验平台调试与实验

5．1 实验平台调试

5．1．1 程序调试方法

5．1．2 硬件设备调试

5．2 实验

5．2．1 气体管道保压实验

5．2．2 管路加热子系统实验

5．2．3 电堆发电实验

5．3 小结

第6章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 后续工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要科研成果