燃料电池发电系统前端DCDC变换器的研究
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，是一种高效的绿色能源，具有功率密度大、高效洁净、运行稳定可靠等优点，日益受到人们的青睐，成为最有前景的能源技术之一。
但燃料电池本机输出电压一般不高，输出的直流电压随着负载的变化有很大的变动范围，因此在燃料电池发电系统中，具有升压稳压功能的功率变换是其重要组成部分。燃料电池输出的电压必须经过具有升压稳压功能的功率变换装置，将不稳定的直流电变换成符合要求的直流或交流电。
本文主要研究了燃料电池发电系统中的直流变换器。首先，本论文介绍了燃料电池的原理、特点和选题意义，并对质子交换膜燃料电池的输出特性做了分析。其次，列举并比较了常见的DC/DC变换器的拓扑结构和性能，借鉴国内外在燃料电池系统中直流变换器上的研究和创新成果，根据燃料电池的输出特性及电动汽车的特点，选用Boost 型电路结构作为直流变换电路。再次，本课题的设计目标：将5 KW质子交换膜燃料电池组
的输出电压，转换成375V左右的电压，为5KW轻型车辆提供主动力。根据对Boost电路原理的分析，推导并设置电路主要元件的参数，利用Multisim、Matlab/Simulink软件进行建模和仿真，观察并分析输出电压、纹波电压、开关管电压和电流等波形，分析该方案的可行性和不足之处。
燃料电池简介
依据电解质的不同，燃料电池分为五大类，碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等，其特性见表1-1[2]。
表1-1 主要燃料电池及其特性
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电池类型 |
AFC |
PAFC |
MCFC |
SOFC |
PEMFC |
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燃料 |
纯氢 |
天然气、氢 |
天然气、煤气、沼气 |
天然气、煤气、沼气 |
氢、甲醇、天然气 |
|
氧化剂 |
纯氧 |
空气（氧气） |
空气（氧气） |
空气（氧气） |
空气（氧气） |
|
工作温度（℃） |
50-220 |
150-220 |
650左右 |
900-1050 |
60-80 |
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效率 |
60—90% |
37—42% |
>50% |
50—65% |
43—58% |
|
应用领域 |
太空飞行、国防 |
热电联产电厂 |
联合循环热电厂、电厂船、铁路用车 |
电厂、家庭电源 |
汽车、潜水艇、移动电话、笔记本电脑、家庭加热器、热电联产电厂 |
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开发状态 |
宇宙航行 |
工业用200KW电池 |
280KW~ 2MW试验电厂 |
100KW试验电厂 |
家庭电源、汽车、热电联产、计算机电源、手机电源等 |
质子交换膜燃料电池工作温度低、结构紧凑、质量轻、启动速度快，且使用无毒性的固态电解质膜，可以做到真正的零排放，而且适宜于频繁启动场合、具有比其它类型的燃料电池更高的功率密度，在航天、航海以及电动汽车方面有着巨大的市场潜力，其发电技术的应用研究已在世界范围内掀起高潮，成为当前国际上燃料电池研制开发的热点。
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