摘 要

现阶段我国国民生产总值的迅速增长，现代化和工业化水平的不断提升，随之而来的就是生活环境愈发恶劣的问题。因此人们也越来越想要绿色环保的能源以及舒适健康的生活。所以应用氢燃料电池的汽车在交通领域变得普遍起来。与传统化石能源相比，氢能拥有来源广泛、热值高、可再生、清洁无污染等优点。同样，与传统的火力、水力发电相比，燃料电池不需要经过蒸汽机或水轮机进行能量转换，而是直接将氢能转化为电能，能量转换效率高。但是在实际的工作情况下，燃料电池单体电池性能及电压之间存在严重的不一致特性，甚至出现反极化现象。若单体性能差异过大，那么状态最差的单体就会严重影响电堆的性能，整个电堆甚至无法正常运行，即存在木桶效应。

本文首先介绍了燃料电池的一些背景知识和发展历程，包括了燃料电池的发电原理、分类标准，和各种不同的燃料电池的反应原理和反应物的区别等，根据其自身的特性介绍了各自的应用场景。建立了多堆燃料电池系统拓扑结构，然后针对质子交换膜燃料电池系统的一种经验模型进行仿真，证明所建模型可以反映质子交换膜燃料电池系统的输出功率与电流密度的相互关系。再提出一种基于菊花链式功率分配的效率优化控制方法，通过菊花链式的分配方法对燃料电池内部的功率进行分配控制，将负载所需功率合理分配给三个电堆，使得性能不同的三个电堆按照性能优劣来承受不同的输出任务，以延长多堆燃料电池系统的使用寿命，从而提高燃料电池系统的经济效益。

关键词：质子交换膜燃料电池；木桶效应；多堆并联系统；基于MATLAB仿真

Abstract

At present, with the rapid growth of China's GDP and the continuous improvement of the level of modernization and industrialization, the living environment is getting worse. Therefore, people also want more and more green energy and comfortable and healthy life. So the application of hydrogen fuel cell vehicles in the field of transportation has become common. Compared with the traditional fossil energy, hydrogen energy has the advantages of wide sources, high calorific value, renewable, clean and pollution-free. In the same way, compared with the traditional thermal and hydroelectric power generation, fuel cell does not need to go through steam turbine or water turbine for energy conversion, but directly converts hydrogen energy into electrical energy, which has high energy conversion efficiency. However, under the actual working conditions, there are serious inconsistencies between the performance and voltage of the fuel cell, even the phenomenon of anti polarization. If the performance difference of the monomer is too large, the worst monomer will seriously affect the performance of the stack, and the whole stack can not even operate normally, that is, there is the barrel effect.

Firstly, this paper introduces some background knowledge and development process of fuel cell, including the principle and classification of fuel cell, the reaction principle of different fuel cells and the difference of reactants, and introduces their application scenarios according to their own characteristics. The topology of the multi reactor fuel cell system is established, and then an empirical model of the PEMFC system is simulated. It is proved that the model can reflect the relationship between the output power and current density of the PEMFC system. Then an efficiency optimization control method based on the daisy chain power distribution is proposed. The power distribution control of the fuel cell is carried out through the daisy chain distribution method, and the power required by the load is reasonably distributed to three stacks, so that the three stacks with different performance can bear different output tasks according to the performance, so as to extend the service life of the multi stack fuel cell system And improve the economic benefits of fuel cell system.

Key words: Proton exchange membrane fuel cell；cask effect；multi-stack parallel system；Simulation based on MATLAB

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 3

1.3 课题研究目的及内容 3

第2章 燃料电池内部结构分析 4

2.1 燃料电池系统的工作原理 4

2.2 燃料电池组成结构分析 5

2.2.1 燃料电池组成结构 5

2.2.2 质子交换膜燃料电池反应原理 5

2.2.3 质子交换膜燃料电池的组成结构 6

2.3 PEMFC的发展历程与发电特点 7

2.4 PEMFC的极化特性 10

2.5 本章小结 12

第3章 多堆燃料电池发电系统的基本电路 13

3.1 多堆燃料电池系统电路拓扑类型 13

3.2 多堆燃料电池系统DC/DC电路拓扑结构 16

3.2.1 DC/DC电压变换器的电路类型分析 16

3.2.2 含DC/DC电压变换器的并联燃料电池系统的电路分析 18

3.3 本章小结 19

第4章 多堆燃料电池的建模与仿真结果分析 20

4.1 PEMFC仿真建模分析 20

4.2 多堆燃料电池功率分配仿真建模分析 21

4.2.1 多堆燃料电池功率分配方法分析 21

4.2.2 多堆燃料电池功率分配策略仿真结果分析 22

第5章 总结与展望 24

致谢 26

参考文献 28

第1章 绪论

1.1 本课题研究的背景及意义

目前世界上工业化的进程不断加快，而工业化程度的提高离不开对能源的大肆消耗，这就导致化石燃料消耗与 CO2 排放量迅速增加，因此寻找并普及清洁高效的新型能源的计划已经刻不容缓，而我国是一个工业大国，更应顺应潮流，全力普及新型能源，优化我国现有的以化石能源为主的能源结构。

现阶段已经得到利用的可再生能源例如光能和风能等受限于其固有的间歇性与随机性，只能小规模在某些区域进行开发利用，无法改变化石能源在能源结构中占主导地位的状况，因而不具备普适性。而氢能是一种清洁、高效新型能源，能利用氢气和氧气转换成电和热，转化效率较高，发电过程的产物几乎无害，且原料有多种来源途径。因此，氢能作为一种新型清洁能源具有非常广阔的发展前景，有望大规模使用，从而改善我国的整体能源结构。

全球范围来看，世界上主要的发达国家例如美国和日本等因为氢能清洁环保且效率高，因而非常看好氢能的发展，现阶段已经在燃料电池汽车领域小规模实现了氢能的商业化。