【自動(dòng)化】千瓦級(jí)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì) 開(kāi)題報(bào)告

附件2本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告學(xué)生姓名付豪導(dǎo)師姓名、職稱(chēng)黃亮副教授所屬學(xué)院自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)班級(jí)電氣1001班設(shè)計(jì)（論文）題目年月日1目的及意義（含國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）11主要研究?jī)?nèi)容和意義當(dāng)前，傳統(tǒng)化石能源日益枯竭，全球性的能源危機(jī)、環(huán)境污染以及生態(tài)問(wèn)題促使人們?cè)絹?lái)越重視風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源以及燃料電池等綠色能源的的開(kāi)發(fā)與利用。以電化學(xué)反應(yīng)方式將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池，以其高效、清潔等優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)有望成為一種重要的能源形式并得到廣泛的應(yīng)用。在質(zhì)子交換膜燃料電池中，由于氣壓、濕度等都是由機(jī)械裝置來(lái)控制的，受這些裝置的反應(yīng)速度的限制造成燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢。在負(fù)載突然變化的時(shí)候，燃料電池的輸出電壓、輸出電流要經(jīng)過(guò)一段比較長(zhǎng)的時(shí)間（秒級(jí)）才能建立起來(lái)。同時(shí)，在新的穩(wěn)態(tài)建立以前，電池內(nèi)部可能因?yàn)榫植繙囟?、氣壓、濕度等超?biāo)而影響燃料電池壽命。因此，為了保證燃料電池輸出持續(xù)而穩(wěn)定的直流電，必須配以電能變換器來(lái)改善系統(tǒng)的輸出性能，并配以蓄電池保證在負(fù)載突變時(shí)為其提供穩(wěn)定的直流。12國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述121國(guó)外研究現(xiàn)狀發(fā)達(dá)國(guó)家都將大型燃料電池的開(kāi)發(fā)作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，企業(yè)界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)及內(nèi)燃機(jī)而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車(chē)上。值得注意的是這種重要的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題，2MW、45MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級(jí)的燃料電池發(fā)電廠(chǎng)相繼在一些發(fā)達(dá)國(guó)家建成。燃料電池的發(fā)展創(chuàng)新將如百年前內(nèi)燃機(jī)技術(shù)突破取代人力造成工業(yè)革命，也像電腦的發(fā)明普及取代人力的運(yùn)算繪圖及文書(shū)處理的電腦革命，又如網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展改變了人們生活習(xí)慣的信息革命。燃料電池的高效率、無(wú)污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及低成本的潛能將引爆21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以急起直追的勢(shì)頭快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段，將成為21世紀(jì)繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。燃料電池技術(shù)在國(guó)外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。122國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀在中國(guó)的燃料電池研究始于1958年，原電子工業(yè)部天津電源研究所最早開(kāi)展了MCFC的研究。70年代在航天事業(yè)的推動(dòng)下，中國(guó)燃料電池的研究曾呈現(xiàn)出第一次高潮。其間中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研制成功的兩種類(lèi)型的堿性石棉膜型氫氧燃料電池系統(tǒng)（千瓦級(jí)AFC）均通過(guò)了例行的航天環(huán)境模擬試驗(yàn)。1990年中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所承擔(dān)了中科院PEMFC的研究任務(wù)，1993年開(kāi)始進(jìn)行直接甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池（DMFC）的研究。電力工業(yè)部哈爾濱電站成套設(shè)備研究所于1991年研制出由7個(gè)單電池組成的MCFC原理性電池?！鞍宋濉逼陂g，中科院大連化學(xué)物理研究所、上海硅酸鹽研究所、化工冶金研究所、清華大學(xué)等國(guó)內(nèi)十幾個(gè)單位進(jìn)行了與SOFC的有關(guān)研究。到90年代中期，由于國(guó)家科技部與中科院將燃料電池技術(shù)列入“九五“科技攻關(guān)計(jì)劃的推動(dòng)，中國(guó)進(jìn)入了燃料電池研究的第二個(gè)高潮。在中國(guó)科學(xué)工作者在燃料電池基礎(chǔ)研究和單項(xiàng)技術(shù)方面取得了不少進(jìn)展，積累了一定經(jīng)驗(yàn)。但是，由于多年來(lái)在燃料電池研究方面投入資金數(shù)量很少，就燃料電池技術(shù)的總體水平來(lái)看，與發(fā)達(dá)國(guó)家尚有較大差距。我國(guó)有關(guān)部門(mén)和專(zhuān)家對(duì)燃料電池十分重視，1996年和1998年兩次在香山科學(xué)會(huì)議上對(duì)中國(guó)燃料電池技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了專(zhuān)題討論，強(qiáng)調(diào)了自主研究與開(kāi)發(fā)燃料電池系統(tǒng)的重要性和必要性。近幾年中國(guó)加強(qiáng)了在PEMFC方面的研究力度。2000年大連化學(xué)物理研究所與中科院電工研究所已完成30KW車(chē)用用燃料電池的全部試驗(yàn)工作，北京富源公司當(dāng)時(shí)也宣布2001年將提供40KW的中巴燃料電池，并接受訂貨?？萍疾扛辈块L(zhǎng)徐冠華當(dāng)時(shí)也在EVS16屆大會(huì)上宣布，中國(guó)將在2000年裝出首臺(tái)燃料電池電動(dòng)車(chē)。10年前，我國(guó)尚生產(chǎn)不出1臺(tái)幾千瓦的燃料電池堆，現(xiàn)在卻可以生產(chǎn)出幾百千瓦的燃料電池電堆，且體積功率密度和質(zhì)量功率密度、壽命、效率都有較大提高，燃料電池大巴車(chē)、小客車(chē)在奧運(yùn)會(huì)上示范運(yùn)行取得成功。目前我國(guó)有規(guī)模的燃料電池生產(chǎn)廠(chǎng)家達(dá)到6家，能夠研發(fā)燃料電池的高等院校有60多所。哈爾濱工程大學(xué)、北京理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所等單位相繼成功組裝了PEMFC單體、電動(dòng)車(chē)用PEMFC石墨電堆和千瓦級(jí)質(zhì)子交換膜燃料電池組，電池組的性能已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，具備了商業(yè)開(kāi)發(fā)的條件。燃料電池汽車(chē)時(shí)“十五”期間全國(guó)12個(gè)重大研究專(zhuān)項(xiàng)之一。上海大眾汽車(chē)還成立了100多人的專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍，投資約10億元研發(fā)電池汽車(chē)。2研究的基本內(nèi)容、擬采用的技術(shù)方案及措施本設(shè)計(jì)旨在基于MATLAB軟件建立一個(gè)燃料電池模型，并根據(jù)伏安特性論述燃料電池輸出與紋波關(guān)系，最終建立一個(gè)包含燃料電池、DC/DC變換器以及蓄電池的系統(tǒng)級(jí)模型。針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢的缺陷，應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)適當(dāng)?shù)腄C/DC變換器使燃料電池輸出穩(wěn)定在一個(gè)恒定的功率點(diǎn)，以免燃料電池不穩(wěn)定的輸出紋波影響負(fù)載的工作或者危害燃料電池本身。同時(shí)，在負(fù)載端并接一個(gè)輸出可調(diào)的蓄電池，當(dāng)負(fù)載增大或減小時(shí)，通過(guò)蓄電池補(bǔ)足或者吸收電能，以保證負(fù)載在恒定的直流下安全可靠的工作。本設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括燃料電池、DC/DC變換器、蓄電池以及負(fù)載。其中DC/DC變換器擬采用升壓斬波電路（BOOSTCHOPPER），在提高燃料電池輸出電壓的同時(shí)，將電壓穩(wěn)定在一個(gè)恒定的功率點(diǎn)。當(dāng)燃料電池經(jīng)DC/DC變換器輸出穩(wěn)定后，可以通過(guò)改變蓄電池的輸出來(lái)適應(yīng)負(fù)載的需求。圖1系統(tǒng)硬件圖3進(jìn)度安排第1周開(kāi)始進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第34周學(xué)生根據(jù)網(wǎng)上指導(dǎo)教師擬定的任務(wù)，在查閱相關(guān)資料后遵照教師要求網(wǎng)上提交并完成開(kāi)題報(bào)告。第5周進(jìn)行開(kāi)題報(bào)告審查。第9周各教研室教學(xué)主任在網(wǎng)上進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查，檢查情況燃料電池組DC/DC變換器負(fù)載蓄電池報(bào)學(xué)院教學(xué)辦。第13周學(xué)生上傳畢業(yè)論文。第14周學(xué)生提出答辯申請(qǐng)。第15周準(zhǔn)備答辯。第16周（6月35日）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)優(yōu)答辯和普通答辯。4閱讀的參考文獻(xiàn)1林飛,杜欣電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真北京中國(guó)電力出版社,20082陳堅(jiān)，電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)北京高等教育出版社，20023朱國(guó)榮,KHLOO,YMLAI燃料電池實(shí)時(shí)電阻匹配最大功率跟蹤法中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)VOL31,NO26,SEP20114王兆安,劉進(jìn)軍電力電子技術(shù)北京機(jī)械工業(yè)出版社,20095ZHU,GRTAN,SCCHEN,YTSE,CK,“MITIGATIONOFLOWFREQUENCYCURRENTRIPPLEINFUELCELLINVERTERSYSTEMSTHROUGHWAVEFORMCONTROL“,IEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS,VOL28,ISSUE2,PP779792,20136孔憲文,桂敏言，馮玉全燃料電池發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀與前景東北電力技術(shù)，2002,328337楊天浩新能源與電能變換系統(tǒng)集成，技術(shù)融合即應(yīng)用展望電源世界2006,6168肖剛?cè)剂想姵丶夹g(shù)北京電子工業(yè)出版社,20099周未，王金全，仲未秧PEM燃料電池的應(yīng)用前景電池工業(yè)2004,8420821210劉明義，鄭強(qiáng)，蔣利軍小功率PEM燃料電池系統(tǒng)及應(yīng)用進(jìn)展電池工業(yè)2005，10（2）11011311GRZHU,SCTAN,KWWANG,ANDCHIKTSE,“WAVEFORMCONTROLOFFUELCELLINVERTERSYSTEMS“2012IEEEENERGYCONVERSIONCONGRESSANDEXPOSITIONECCE,PP44574463,NCSU,USA,SEP201212BPSTATISTICALREVIEWOFWORLDENERGYJUNE2005GENEVABP,200513FPROF