作為人類社會賴以生存的三大資源,能源、物質(zhì)和信息總是在互洽中共同演進(jìn)。其間,能源與動力系統(tǒng)的先發(fā)性變革,往往會帶來物質(zhì)的制造、轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸和信息的獲取、處理、傳輸?shù)闹卮蟾镄隆Ｊ澜绨l(fā)展歷史表明,唯有引領(lǐng)世界能源技術(shù)創(chuàng)新,才可能實現(xiàn)大國崛起,因此能源發(fā)展是一個不可小覷的國家性問題。作為清潔能源的質(zhì)子交換膜燃料電池,由于其優(yōu)點頗多,目前已成為動力電源、備用電源及儲能充電等領(lǐng)域備受青睞的產(chǎn)品。但質(zhì)子交換膜燃料電池因其是一個多輸入多輸出、具有時變特性、分布參數(shù)特性、隨機(jī)干擾的多耦合的復(fù)雜電化學(xué)裝置,因此對其進(jìn)行檢測和控制具有一定的復(fù)雜性。故十分有必要對其測控系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究,以期提高電池性能,加快其商業(yè)化進(jìn)程,從而更好助力人類社會的發(fā)展。本文首先對質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理進(jìn)行簡要闡述,然后圍繞燃料電池溫度、氣體壓力還有模塊特性這三方面進(jìn)行詳細(xì)介紹,分別分析了其對燃料電池性能影響的重要性,最后對燃料電池各子系統(tǒng),即溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、燃料及其循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑及其循環(huán)系統(tǒng)、控制及檢測系統(tǒng)進(jìn)行概述,分別討論了其在燃料電池大系統(tǒng)中的作用,同時為本文后面燃料電池溫度實驗系統(tǒng)搭建、溫度控制策略研究、單片電池電壓巡回檢測做好鋪墊。溫度作為影響燃料電池輸出性能的一個重要因素,如不對其進(jìn)行良好的控制,則會造成電解質(zhì)膜的脫水、收縮甚至破裂,同時還會造成燃料電池"水淹",嚴(yán)重影響燃料電池的性能和系統(tǒng)的安全。因此本文設(shè)計質(zhì)子交換膜燃料電池溫度特性實驗來對其進(jìn)行具體分析。該實驗可以測得不同負(fù)載電壓下,燃料電池單電池溫度與電流密度的關(guān)系曲線,通過對實驗所得曲線進(jìn)行詳細(xì)討論、分析,得出不同負(fù)載電壓下的最佳工作溫度等結(jié)論。可為燃料電池控制最佳輸出提供依據(jù),同時實驗所獲得的曲線、數(shù)據(jù)可以為燃料電池溫度控制建模提供良好的數(shù)據(jù)支持。建立了可應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池溫度控制的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?通過模型核函數(shù)的改變與對比,得出基于傅里葉擬合的經(jīng)驗?zāi)Ｐ妥罴�。運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真平臺對所搭建的模型進(jìn)行仿真實驗,通過改變擬合階次,得出3次擬合模型能同時兼顧響應(yīng)速度與控制精度的要求。最后通過仿真所得的大量數(shù)據(jù),得到質(zhì)子交換膜燃料電池最佳工作溫度-功率密度曲線,可以為后續(xù)電池堆或大電池系統(tǒng)的溫度控制和最大輸出功率點跟蹤提供理論指導(dǎo)。設(shè)計開發(fā)出用于質(zhì)子交換膜燃料電池的單片電池電壓巡檢系統(tǒng),分別從硬件、軟件部分對該系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)闡述。同時對一個有15片單電池組成的電池組來進(jìn)行試驗,用巡檢系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)與FLUKE 87型高精度數(shù)字電壓表進(jìn)行對比,驗證了該系統(tǒng)的有效性與可操作性,證明該系統(tǒng)的實用價值,可為燃料電池穩(wěn)定工作提供重要參考。
【學(xué)位單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TM911.4
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 引言
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 燃料電池發(fā)展及研究現(xiàn)狀
        1.2.2 燃料電池測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
    1.3 本文研究目的及主要內(nèi)容
第2章 PEMFC工作原理、特性及系統(tǒng)概述
    2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理
        2.1.1 質(zhì)子交換膜概述
        2.1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理分析
    2.2 質(zhì)子交換膜燃料電池特性簡述
        2.2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池溫度特性
        2.2.2 質(zhì)子交換膜燃料電池壓力特性
        2.2.3 質(zhì)子交換膜燃料電池模塊特性
    2.3 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)概述
        2.3.1 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)
        2.3.2 氫氣及其循環(huán)系統(tǒng)
        2.3.3 氧化劑及其循環(huán)系統(tǒng)
        2.3.4 控制及檢測系統(tǒng)
    2.4 本章小結(jié)
第3章 PEMFC溫度特性實驗及分析
    3.1 質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁し治?br>    3.2 實驗系統(tǒng)設(shè)計及測試方案
        3.2.1 實驗系統(tǒng)設(shè)計
        3.2.2 實驗測試方案
    3.3 實驗結(jié)果分析討論
    3.4 本章小結(jié)
第4章 PEMFC溫度控制模型建立與仿真
    4.1 質(zhì)子交換膜燃料電池模型簡介
    4.2 質(zhì)子交換膜燃料電池經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒?br>    4.3 基于三種核函數(shù)模型的對比及討論
        4.3.1 三種核函數(shù)模型
        4.3.2 擬合模型評判標(biāo)準(zhǔn)
        4.3.3 三種核函數(shù)擬合模型對比
    4.4 溫度模型的仿真及驗證
        4.4.1 溫度系統(tǒng)仿真步驟簡介
        4.4.2 溫度模型仿真實驗及結(jié)果分析、驗證
        4.4.3 最佳工作溫度、功率密度曲線
    4.5 本章小結(jié)
第5章 PEMFC單電池巡檢系統(tǒng)
    5.1 影響燃料電池性能的主要因素
    5.2 質(zhì)子交換膜燃料電池單電池電壓巡檢系統(tǒng)
        5.2.1 SCVM總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
        5.2.2 SCVM硬件部分設(shè)計
        5.2.3 SCVM軟件部分設(shè)計
    5.3 SCVM系統(tǒng)測試實驗
    5.4 本章小結(jié)
結(jié)論
致謝
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2838846