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dc.contributor.advisor蔡清池zh_TW
dc.contributor.advisorChing-Chih Tsaien_US
dc.contributor.author蔡武田zh_TW
dc.contributor.authorTsai, Wu-Tienen_US
dc.date2004zh_TW
dc.date.accessioned2014-06-06T06:40:24Z-
dc.date.available2014-06-06T06:40:24Z-
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11455/7711-
dc.description.abstract本文旨在研究質子交換膜燃料電池(Proton Exchange membrane fuel cell簡稱PEMFC)發電系統架構,電化學模型特性,等效電路分析及控制。本文提出電解海水(水)所產生之廢氫氣回收再利用的方法,建立簡單的獨立發電系統架構。利用電池構造及其電化學模型的操作參數方程式,推估其內部等效電路模型,以此可準確地預測燃料電池的輸出電壓,效率和電力。同時,文中也探討燃料電池組系統加入和切離電阻性及電感性負載時的穩態和暫態之電壓及電流響應特性,以微分程式表示發電系統等效電路之電壓及電流的穩態和暫態關係,使用數值分析之牛頓法求穩態解,並以圖解法驗證,而以尤拉法求暫態解,再加電腦模擬以獲得證明。最後,完成以PID為控制法則,控制空氣供給系統,使PEMFC之輸出電壓為一定值,模擬獨立發電系統之動態響應特性,證實本文所提方法之可行性。本方法亦可用於求解非電感性其他負載的暫態與穩態電路分析。zh_TW
dc.description.abstractThis paper presents a systematic method for circuit analysis and control of a Proton Exchange membrane fuel cell using electrochemical model. Transient responses of the PFMFC with partial addition and cut-off of the loads will be precisely calculated using a set of governing equations of the model, thereby exactly computing output voltage, efficiency and power of the cell. A set of state equations for describing the dynamics of the cell with the time-varying resistive and inductive loads is constructed and solved using the Euler's numerical method. Numerical results are used to verify the feasibility of the method. The developed method may be helpful in finding transient circuit behavior of the cell with a combined load.en_US
dc.description.tableofcontents中文摘要 …………………………………………………………………i 英文摘要 …………………………………………………………………ii 誌 謝 …………………………………………………………………iii 目 錄 …………………………………………………………………iv 圖 目 錄 …………………………………………………………………viii 表 目 錄 …………………………………………………………………xii 符號說明 …………………………………………………………………xiii第一章 緒論 ……………………………………………………………1 1.1 前言 ………………………………………………………………1 1.2 背景知識 …………………………………………………………2 1.2.1 燃料電池的歷史 ………………………………………………3 1.2.2 燃料電池原理 …………………………………………………4 1.2.3 火力、核能發電與燃料電池發電之比較 ……………………6 1.2.4 燃料電池之種類 ………………………………………………7 1.2.5 燃料電池的優缺點 ……………………………………………12 1.2.6 燃料電池技術的發展 ………………………………………17 1.2.7 國外發展現況 ………………………………………………17 1.2.8 國內發展現況 ………………………………………………18 1.3 研究動機與目的 ………………………………………………20 1.4 文獻回顧 ………………………………………………………21 1.5 論文大綱…………………………………………………………22 第二章 料電池發電系統基本結構 ………………………………………23 2.1 完整燃料電池發電系統…………………………………………23 2.1.1 燃料處理系統 …………………………………………………23 2.1.2 空氣處理系統 …………………………………………………25 2.1.3 電力產生系統 …………………………………………………26 2.1.4 熱能管理系統 …………………………………………………26 2.1.5 水處理系統 ……………………………………………………26 2.1.6 氮氣吹淨系統 …………………………………………………27 2.1.7 電廠通風系統 …………………………………………………27 2.1.8 電氣系統 ………………………………………………………27 2.2 發電廠廢氫回收發電之探討……………………………………28 2.2.1 海水電解作業流程簡介 ………………………………………29 2.2.2 氫氣排放方式 …………………………………………………33 2.3 海水電解後氫氣產量分析………………………………………34 2.3.1 電化學基本定義 ………………………………………………34 2.3.2 中一∼中四機海水電解設備氫氣產量 ………………………35 2.3.3 中五∼中八機海水電解設備氫氣產量 ………………………37 2.4 海水電解產氫供給燃料電池發電評估…………………………39 2.4.1 燃料電池之選用 ………………………………………………39 2.4.2 電解產氫發電量預估 …………………………………………39 2.4.3 燃料電池設置成本預估 ………………………………………40 2.5 PEMFC獨立發電系統之構想 ……………………………………41 2.6 本章結論…………………………………………………………42 第三章 PEMFC發電系統之穩態與暫態電路分析 …………………………44 3.1 本章簡介…………………………………………………………44 3.2 PEMFC電化學模型 ………………………………………………45 3.2.1 轉能電壓(Reversible cell voltage) ……………………45 3.2.2 反應電壓(Activation overpotential)……………………46 3.2.3 歐姆電壓(Ohmic overpotential) …………………………47 3.2.4 濃度電壓(Concentration overpotential)…………………48 3.2.5 PEMFC的暫態電容 ………………………………………………49 3.2.6 PEMFC特性模擬 …………………………………………………49 3.2.7 PEMFC內部等效電路模型的建立 ………………………………54 3.3 PEMFC穩態端電壓及端電流之計算 ……………………………55 3.3.1 數值分析法 ……………………………………………………56 3.3.2 電阻性負載穩態之數值分析 …………………………………57 3.3.3 定功率負載穩態之數值分析 …………………………………61 3.3.4 圖解法……………………………………………………………64 3.3.5 圖解法求電阻性負載之穩態端電流及端電壓 ………………65 3.3.6 圖解法求定功率負載之穩態端電流及端電壓 ………………67 3.4 PEMFC之暫態分析 ……………………………………………70 3.4.1 PEMFC電阻性負載之暫態響應分析 …………………………70 3.4.2 PEMFC電感性負載之暫態響應分析 …………………………77 3.4.3 PEMFC電阻性負載與電感性負載並聯之暫態響應分析 ……82 3.5 本章結論…………………………………………………………85 第四章 PEMFC發電系統之動態PID控制 …………………………………86 4.1 本章簡介…………………………………………………………86 4.2 燃料電池組的非線性動態特性…………………………………87 4.3 控制系統簡介……………………………………………………88 4.3.1 PID控制 …………………………………………………………89 4.3.2 PEMFC PID控制器數位化程式設計 ……………………………91 4.3.3 PEMFC PID控制系統描述 ………………………………………91 4.4 電腦模擬結果……………………………………………………93 4.4.1 PEMFC電阻性負載之定電壓動態響應 …………………………94 4.4.2 PEMFC電感性負載之定電壓動態響應 ………………………100 4.5 本章結論 ………………………………………………………106 第五章 總結與建議 ………………………………………………………107 5.1 總結 ……………………………………………………………107 5.2 未來研究建議 …………………………………………………108 參考文獻……………………………………………………………………110 圖目錄 圖1-1電解與電化學反應…………………………………………………5 圖1-2燃料電池化學反應示意圖…………………………………………5 圖2-1燃料電池發電系統架構 …………………………………………24 圖2-2海水電解系統流程 ………………………………………………30 圖2-3中一機至中四機海水電解槽及主要管路 ………………………31 圖2-4中一機至中四機次氯酸鈉儲存槽 ………………………………31 圖2-5中五機至中八機海水電解槽及主要管路 ………………………32 圖2-6中五機至中八機鼓風機及管路 …………………………………32 圖2-7中五機至中八機次氯酸鈉儲存槽 ………………………………33 圖2-8中一至中四機電解槽 ……………………………………………36 圖2-9中五機至中八機電解管 …………………………………………38 圖2-10電力產生架構圖…………………………………………………42 圖3-1燃料電池之極化曲線圖 …………………………………………50 圖3-2電流密度與效率關係曲線圖 ……………………………………52 圖3-3電流密度與輸出功率關係曲線圖 ………………………………53 圖3-4燃料電池內部等效電路 …………………………………………54 圖3-5燃料電池組之輸出端電壓與輸出電流關係曲線圖 ……………55 圖3-6燃料電池組外接固定電阻負載之等效電路 ……………………58 圖3-7數值分析負載電阻1Ω之穩態端電壓曲線圖 .…………………59 圖3-8數值分析負載電阻0.5Ω之穩態端電壓曲線圖…………………60 圖3-9定功率負載P1之穩態端電壓……………………………………63 圖3-10定功率負載P2之穩態端電壓…………………………………64 圖3-11負載電阻1Ω之穩態端電流及端電壓繪圖分析………………66 圖3-12負載電阻0.5Ω之穩態端電流及端電壓繪圖分析.……………66 圖3-13定功率負載P1與穩態端電流關係圖.…………………………68 圖3-14定功率負載P1之穩態端電流與端電壓關係圖.………………68 圖3-15定功率負載P2與穩態端電流關係圖.…………………………69 圖3-16定功率負載P2之穩態端電流與端電壓關係圖.………………69 圖3-17燃料電池組電阻負載之等效電路………………………………71 圖3-18電阻性負載端態電流之暫態響應………………………………74 圖3-19電阻性負載端態電壓之暫態響應………………………………75 圖3-20電阻性負載端功率之暫態響應…………………………………75 圖3-21燃料電池組電感性負載之等效電路……………………………77 圖3-22電感性負載端態電壓之暫態響應………………………………79 圖3-23電感性負載端態電流之暫態響應………………………………80 圖3-24電感性負載端功率之暫態響應…………………………………81 圖3-25燃料電池組電阻性與電感性負載並聯之等效電路……………82 圖4-1 PEMFC氧氣反應量與極化曲線之關係圖………………………87 圖4-2 PEMFC空氣/燃料控制系統……………………………………88 圖4-3 PEMFC PID控制系統圖…………………………………………92 圖4-4 PEMFC PID控制系統流程圖……………………………………92 圖4-5定電壓輸出為30(V)電阻性負載電壓之動態響應……………96 圖4-6定電壓輸出為30(V)電阻性負載電流之動態響應……………97 圖4-7定電壓輸出為30(V)電阻性負載功率之動態響應……………97 圖4-8定電壓輸出為32(V)電阻性負載電壓之動態響應……………98 圖4-9定電壓輸出為32(V)電阻性負載電流之動態響應……………99 圖4-10定電壓輸出為32(V)電阻性負載功率之動態響應…………99 圖4-11定電壓輸出為30(V)電感性負載輸出電壓之動態響應……101 圖4-12定電壓輸出為30(V)電感性負載輸出電流之動態響應……102 圖4-13定電壓輸出為30(V)電感性負載輸出功率之動態響應……103 圖4-14定電壓輸出為33(V)電感性負載輸出電壓之動態響應……104 圖4-15定電壓輸出為33(V)電感性負載輸出電流之動態響應……104 圖4-16定電壓輸出為33(V)電感性負載輸出功率之動態響應……105zh_TW
dc.language.isoen_USzh_TW
dc.publisher電機工程學系zh_TW
dc.subjectProton Exchange membrane fuel cellen_US
dc.subject質子交換膜燃料電池zh_TW
dc.subjectelectrochemical modelen_US
dc.subjectnumerical methoden_US
dc.subjecttransient circuit analysisen_US
dc.subject電化學模型zh_TW
dc.subject數值分析zh_TW
dc.subject暫態電路分析zh_TW
dc.subject動態響應zh_TW
dc.title質子交換膜燃料電池之非線性電路分析與控制zh_TW
dc.titleNonlinear Circuit Analysis and Control of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell Stacken_US
dc.typeThesis and Dissertationzh_TW
item.openairecristypehttp://purl.org/coar/resource_type/c_18cf-
item.openairetypeThesis and Dissertation-
item.cerifentitytypePublications-
item.fulltextno fulltext-
item.languageiso639-1en_US-
item.grantfulltextnone-
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