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摘 要
本文基于matlab软件建立燃料电池模型，并设计了一套燃料电池发电系统。论文首先讲述了质子交换膜燃料电池PEMFC的工作原理，然后根据V-A特性论述燃料电池输出与纹波的关系，在比较各种DC-DC变换器拓扑优缺点的基础上，找到一个最合适的的DC-DC变换器，最终借助matlab软件建立起包含燃料电池、DC-DC、蓄电池的系统级模型。论文主要研究了燃料电池易受负载变化的影响的原因，DC-DC变换器的理想结构及其所应达到的控制目的。研究结果表明一个结构合适的DC-DC变换器可以作为燃料电池的功率调节系统，将燃料电池较低且不稳定的输出电压提升到一个较高的数值，并将电压保持在一个稳定的点，从而有利于负载的正常工作。本文的特色是基于matlab软件着重分析了燃料电池模块的组成结构，通过改变燃料电池的燃料流量，观察了燃料电池输出的变化。
关键词：燃料电池；DC-DC变换器；matlab；V-A特性；燃料流量
Abstract
This paper builds a fuel cell model with matlab software and designs a fuel cell power generation system. Firstly, this paper tells about the operational principles of proton exchange membrane fuel cell, and then discusses the relation between output and ripple basing on V/A characteristics of the fuel cell. on the basis of comparing the advantages and disadvantages of various DC-DC converter topology, this paper aims to find the most appropriate DC-DC converter. Ultimately a system-level model including a fuel cell, a DC-DC converter and a battery will be built .This paper mainly investigates the reason why fuel cells are susceptible to the changes in load, the ideal structure of DC-DC converter and the control purposes the DC-DC supposed to achieve .The result shows that a suitable DC-DC converter may act as the power conditioning system of the fuel cell, boosting the low and unstable magnitude of fuel cell output voltage to a higher value and holding the voltage at a stable point, so that it’s conducive to the normal work of the loads.The unique features of this article are that I analyze the composition and structure of the fuel cell module in detail and observe the output curve of the fuel cell while changing the flow of fuel.
Key Words：fuel cell；V/A characteristics；DC-DC converter；matlab；
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究的背景、目的和意义 1
1.2 国内外研究现状综述 1
1.2.1 国内研究现状 1
1.2.2 国外研究现状 2
1.2.3 制约我国燃料电池产业发展的主要问题 3
1.2.4 PEMFC的应用前景 4
1.3 课题研究的内容及预期目标 6
1.3.1 研究的内容 6
1.3.2 预期的目标 6
第2章 燃料电池简介 7
2.1 燃料电池的分类与组成 7
2.1.1 燃料电池的分类 7
2.1.2 燃料电池的组成 8
2.1.3 燃料电池的材料 8
2.2 燃料电池的基本原理 8
2.2.1 燃料电池的工作原理 8
2.2.2 燃料电池的输出特性 9
2.2.3 燃料电池的输出电流纹波 11
2.2.4 电流/功率变化率 11
2.2.5 电气绝缘 11
2.2.6 电力变换器的双向性问题 11
2.3 质子交换膜燃料电池（PEMFC）简介 12
2.3.1 PEMFC的工作原理 12
2.4 总体技术方案及措施 13
第3章 PEMFC发电系统的DC-DC变换器设计 14
3.1 DC-DC变换器综述 14
3.1.1 加入DC-DC变换器的目的 14
3.1.2 对DC-DC变换器的要求 14
3.2 待选择的DC-DC变换器拓扑 14
3.2.1 boost升压斩波电路 14
3.2.2 推挽式DC-DC变换器 15
3.2.3 全桥DC-DC变换器 15
3.3 方案比较 16
第4章 燃料电池发电系统的建模与仿真 17
4.1 燃料电池模型 17
4.1.1 燃料电池模块的内部结构 17
4.1.2 燃料电池参数的算法 20
4.1.3 燃料电池模块的参数设置 23
4.2 流量调节模块 23
4.3 DC-DC变换器模型 25
4.4 整体模型 26
4.5 仿真结果与分析 27
第5章 总结 30
参考文献 31
致谢 32
课题研究的内容及预期目标
1.3.1研究的内容
首先了解质子交换膜燃料电池PEMFC的工作原理，再基于matlab软件建立一个燃料电池模型，并根据伏安特性论述燃料电池输出与纹波关系，最终建立一个包含燃料电池、DC-DC变换器以及蓄电池的系统级模型，并改变燃料流量观测燃料电池输出的变化。
1.3.2预期的目标
针对质子交换膜燃料电池输出动态响应较慢的缺陷，应设计一个带电流反馈的恒流型DC-DC变换器使燃料电池输出电流恒定。同时，在负载端并接一个蓄电池，将负载端电压钳住，使得燃料电池输出稳定在一个恒定的功率点。
