燃料電池仿真器及其工作原理

燃料電池是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它們是一種清潔能源，具有很高的儲(chǔ)能能力。近年來，燃料電池在多種應(yīng)用中的應(yīng)用越來越受到關(guān)注。分布式資源技術(shù)的獨(dú)立方面使燃料電池成為有用的資源，這些區(qū)域沒有由電網(wǎng)供電或電網(wǎng)不可靠且需要備用電源。

燃料電池仿真器可用于各種類型的燃料電池控制相關(guān)研究。

什么是燃料電池模擬器？

燃料電池供電系統(tǒng)包括燃料電池堆、燃料供應(yīng)系統(tǒng)、基于電力電子的逆變器和主控制器。燃料電池通常產(chǎn)生直流輸出電壓，該電壓是負(fù)載電流值和燃料流量的函數(shù)。

需要注意的是，燃料電池電壓直接隨供給燃料流量的值而變化，而它與負(fù)載電流成間接比例。整個(gè)系統(tǒng)集成良好，因此逆變器的特性和來自主控制器的響應(yīng)提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

選擇合適的燃料電池

與其他能量轉(zhuǎn)換技術(shù)相比，燃料電池具有廣泛的應(yīng)用范圍，適用于幾瓦到幾兆瓦的系統(tǒng)。最常見的應(yīng)用包括交通運(yùn)輸、便攜式電源和分布式發(fā)電。由于其高功率密度和低排放，它是最有前途的可再生能源之一。

市售燃料電池有六種類型——堿性、直接甲醇 （DM）、熔融碳酸鹽、磷酸、質(zhì)子交換膜 （PEM） 和固體氧化物 （SO） 。根據(jù)具體應(yīng)用，根據(jù)所提供的優(yōu)勢選擇合適的燃料電池類型。

例如，PEM 燃料電池主要用于汽車應(yīng)用，而 SO 燃料電池則用于固定電源。SO 燃料電池因其高功率密度和可用于熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用的高品位廢熱而對(duì)工業(yè)級(jí)分布式電源應(yīng)用具有吸引力。DM 燃料電池被用作便攜式電源，因?yàn)樗鼈儾恍枰魏稳剂咸幚聿⑶以诘蜏叵逻\(yùn)行。然而，PEM 燃料電池可放置在配電系統(tǒng)中的任何位置，因此是分布式發(fā)電的良好候選者。此外，由于它們沒有任何污染物，但具有高功率密度、穩(wěn)定狀態(tài)下的可靠功率和快速啟動(dòng)能力，因此 PEM 燃料電池對(duì)車輛應(yīng)用具有吸引力。

燃料電池仿真器的工作原理

燃料電池通過簡單的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，其中氧化劑和燃料反應(yīng)形成典型燃料電池的水產(chǎn)物。燃料主要是氫氣，而氧化劑是空氣中的氧氣。氧氣不斷通過陰極，而氫氣通過陽極產(chǎn)生電能，并產(chǎn)生熱量和水作為副產(chǎn)品。由于燃料電池中沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此它是一種安靜可靠的電源。

示例 PEM 燃料電池的示意圖如圖 1 所示。

圖 1. PEM 燃料電池示意圖。EETech 的圖像屬性

圖 2 顯示了具有功率級(jí)和控制級(jí)的示例燃料電池仿真器實(shí)施。

燃料電池仿真器的功率級(jí)包括一個(gè)電流源轉(zhuǎn)換器（降壓整流器），它具有小紋波直流鏈路的高功率能力和一個(gè) DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器 。兩個(gè)電力電子電路和一個(gè)基于 DSP 的控制器提供電壓電流燃料電池特性以及輸出電壓和電流。它可以在所有三個(gè)操作區(qū)域中發(fā)揮作用——激活、歐姆和濃度。

功率級(jí)在輸入端有交流電，在輸出端產(chǎn)生直流電，這符合燃料電池的 VI 特性。在前端，檢測兩個(gè)線間輸入電壓以實(shí)現(xiàn)控制同步。測量降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和負(fù)載電流以控制輸出直流電壓。用戶為降壓整流器提供燃料流量命令。控制器的輸出是降壓整流器的六個(gè)開關(guān)和降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)的開關(guān)信號(hào)。

EETech 的圖像屬性

圖 2. 示例燃料電池仿真器的功率級(jí)和控制級(jí)。EETech 的圖像屬性