质子交换膜燃料电池测控系统开发及电池性能研究

近些年经济发展造成的环境污染、能源过耗问题引起广泛关注,大力发展绿色能源、清洁能源,合理利用能源和保护环境是人类生存的不二法则。2016年国家发改委在《能源技术创新行动计划》指出到2030年左右实现氢能的商业化。高效利用氢能源是今后一段时期能源发展的必然趋势。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells,文中以下简称为PEMFC)属于新型、清洁、高效的电能转换装置,广泛应用在便携式电源、快速充电桩、新能源汽车、军事和通信领域。本论文首先建立了400W空冷型PEMFC电池堆集总参数模型,通过Matlab/Simlink分析影响电池输出性能的操作参数,确定出本文测控系统的测控参数及范围;其次,完成了PEMFC测控系统硬件平台的设计与搭建,在此基础上开发了一套测控系统软件;最后,在测控系统平台上完成了对某款400W空冷型PEMFC电池堆性能测试工作,验证了PEMFC测控系统有效性。本论文完成的主要工作如下:(1)建立了400W空冷型PEMFC电池堆集总参数模型,通过仿真分析影响电池堆输出性能的操作参数,确定出测控系统的测控参数(电池堆温度、进气压力、电流加载大小、阳极排气周期等)及范围;(2)提出了基于往复流强制散热模式和模糊自适应PID的目标电池堆温度控制策略。通过往复流和单向流对比实验,验证了往复流能够均衡电池堆温度,优化电池堆输出性能;通过仿真分析了模糊自适应PID控制对温度有较好的跟随和控制精度;(3)在对空冷型PEMFC电池堆测控系统的功能和技术需求进行分析后,给出了测控系统硬件平台搭建方案,完成了零部件的选型、组装和调试工作,搭建了一套空冷型PEMFC测控系统硬件平台;(4)以空冷型PEMFC电池堆测控系统硬件平台为基础,开发了一套测控系统。利用数据采集卡和单片机完成了测控系统的参数采集与控制功能,基于LabVIEW软件完成了测控系统登录系统、测控界面软件的设计;(5)在已开发的测控系统平台上完成了某款400W电池堆稳态性能测试包括电流-电压(I-V)曲线、电流-功率(I-P)曲线、单电池电压测试、电池堆开路电压测试,验证了测控系统的有效性;实验验证了往复流散热策略优于传统单向流散热模式,它能够均衡电池堆温度、提高电池堆输出性能。