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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:楊建亭
研究生(外文):Jian-ting Yang
論文名稱:自主式水下載具負載切換對質子交換膜燃料電池端與電力轉換器端之模擬
論文名稱(外文):Simulation of the Effect of Load Change on the Output Terminals of Proton Exchange Membrane Fuel Cell and Power Converters for Autonomous Underwater Vehicles
指導教授:李建興李建興引用關係
指導教授(外文):Chien-hsing Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:系統及船舶機電工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:92
中文關鍵詞:質子交換膜燃料電池直流/直流電源轉換器電壓模式控制自主式水下載具
外文關鍵詞:Autonomous Underwater VehicleMatlab/SimulinkDC/DC Power ConverterPEM Fuel CellsVoltage Mode Control
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本論文利用Matlab/Simulink軟體模擬Ballard Mark V質子交換膜燃料電池以提供自主式水下載具電力,並探討自主式水下載具之負載切換對燃料電池端與電力轉換器端電壓及電流之影響。為應付燃料電池輸出電壓易受負載變動及極化損失影響,而於質子交換膜燃料電池輸出端串接電壓模式控制之直流/直流電源轉換器,以自動調節穩定輸出電壓,進而提供自主式水下載具裝置設備所需之直流5V、12V、24V與48V電壓等級,並分析在輕載與滿載間的變動對燃料電池端與負載端之電壓與電流的影響。除此之外,亦將非穩態質量與能量原理中控制體積的概念引進燃料電池堆,以獲得實驗測量難以得到的陽極與陰極流道內的數據訊息和工作機理,並了解其質量流率、壓力、溫度的暫態與穩態特性。
This thesis investigates the effect of load change on the voltage and current at the output terminals of Ballard Mark V PEMFC (proton exchange membrane fuel cell) and power converters used as the power source of autonomous underwater vehicles (AUVs) using Matlab/Simulink. Since the PEMFC produces dc output voltage that is easily affected by a load change and polarization losses, the PEMFC output terminals are connected to dc–dc converters for converting the unregulated voltage into desired voltage levels including 5-, 12-, 24- and 48-V in order to supply the AUVs’ loads. Moreover, the effect of load change between light load and full load on the voltages and currents at the PEMFC terminal and load terminal is analyzed in this study. In addition, the concept of control volume in the unsteady state mass and energy theory is applied to the fuel cell stack in order to understand the phenomenon in the cathode and anode channels which are difficult to obtain from measurements. This phenomenon includes the transient and steady state characteristics of the mass flow, pressures, temperatures occurred in a PEMFC.
摘 要 i
Abstract ii
誌 謝 iii
目 錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 x
符號說明 xi
第一章 緒 論 1
1.1研究動機 1
1.2水下載具簡介 2
1.2.1自主式水下載具概述 3
1.2.2自主式水下載具的發展回顧 4
1.2.3自主式水下載具的能源 6
1.3自主式水下載具的電力供應系統架構 8
1.4相關文獻回顧 10
1.5論文研究架構 12
第二章 質子交換膜燃料電池系統介紹 13
2.1燃料電池概述 13
2.1.1燃料電池發展史回顧 13
2.1.2燃料電池分類 15
2.1.3質子交換膜燃料電池之特點 17
2.1.4質子交換膜燃料電池構造與工作原理 17
2.2質子交換膜燃料電池堆模型研究 19
2.2.1氧化劑之供給 20
2.2.2反應氣體供應數學模型 20
2.2.3氣體擴散數學模型 25
2.2.4質子交換膜燃料電池電化學數學模型 29
2.2.5質子交換膜燃料電池之效率 32
2.2.6質子交換膜燃料電池之穩態特性 33
2.3操作條件對質子交換膜燃料電池性能的影響 33
2.3.1操作溫度對燃料電池性能的影響 33
2.3.2反應氣體工作壓力對燃料電池性能的影響 35
2.4模擬值與實驗值之比對 36
第三章 切換式直流/直流電源轉換系統介紹 40
3.1電源轉換器簡介 40
3.2交換式直流/直流電源轉換器之基本原理與操作 41
3.2.1脈波調變技術 41
3.2.2降壓型電源轉換器於連續導通模式之穩態分析與主電路設計 42
3.2.3升壓型電源轉換器於連續導通模式之穩態分析與主電路設計 47
3.2.4於工作範圍內DC/DC轉換器之電容器與電感器之選擇 53
3.3交換式直流/直流電源轉換器之設計 54
3.3.1切換式電源轉換器之小訊號模式化分析 54
3.3.2電源轉換器補償器設計步驟與準則 55
3.3.3電源轉換器之頻域響應分析 56
3.3.4電源轉換器之暫態響應 59
3.3.5切換式電源轉換器之電路規格 60
第四章 質子交換膜燃料電池應用於自主式水下載具之模擬 63
4.1自主式水下載具之電源供應系統Simulink模型 63
4.1.1質子交換膜燃料電池之Simulink 模型 64
4.1.2切換式直流/直流電源轉換器之Simulink模型 65
4.1.3子系統模型的封裝 69
4.2於負載變化時對AUV移動電源之影響模擬 71
4.2.1質子交換膜燃料電池系統的模擬 73
4.2.2電源轉換系統的模擬 76
4.2.3反應氣體供給PEMFC的模擬 81
第五章 結論與未來展望 85
5. 1結論 85
5. 2未來展望 85
參考文獻 87
簡 歷 92
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