Modeling and control of a PEM fuel cell system
PEM yakıt pili sistemi modelleme ve kontrolü
- Tez No: 338573
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. SERKAN KINCAL, PROF. DR. İNCİ EROĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 124
Özet
Polimer elektrolit membranlı (PEM) yakıt pilleri avantajlı özellikleri nedeniyle yoğun bir ilgi görmektedir. Bilinen güç jeneratörleriyle rekabet edilebilmesi için yakıt pilleri her zaman güvenli ve verimli işleyişi sağlamalıdır. Yeterli işleyişi başarmak için bütün proses gereklilikleri operasyon sınırları dâhilinde belirlenmeli ve uygulanmalıdır. Isıl yönetim, tepken tedariki, su yönetimi ve güç yönetimi, yerinde ve yeterli kontrol stratejileri geliştirilmesi ve uygulanması gereken bazı ana konulardandır. Bu çalışmada sistem dinamiklerini anlamak için 3kWlık portatif bir PEM yakıt pili modellenmiştir. Sistem modeli yakıt pili yığını, nemlendirici, kompresör, giriş ve çıkış hacimleri ve soğutma sistemini içermektedir. Model geliştirilmesi kütle ve enerji denklikleri, termodinamik ve kinetik ile yürütülmüştür. Bilinmeyen sistem parametrelerini tanımlamak için yakıt pili yığını ve soğutma sistemi üzerinde deneyler yapılmış ve yarı deneysel bir model kurulmuştur. Kompresör için statik ileri besleme kontrolörü, geri besleme (PI) kontrolörü ile birleştirilmiştir. Kompresörün dinamik değişikliklere kısa sürede adapte olduğu gözlemlenmiştir. Zarlı boru-kovan yapısındaki nemlendirici modellenmiş, literatür ile kıyaslanmış ve makul bir örtüşme gözlemlenmiştir. Nemlendiricide bulunan tüp sayısının etkisini görmek için iki farklı nemlendirici simule edilmiştir. Tahmin edildiği gibi, tüp sayısının artırılmasının daha iyi nemlenmeyle neticelendiği görülmüştür. Pompa, radyatör ve fandan oluşan soğutma sistemi için üç farklı kontrol stratejisi incelenmiştir. Isıl yönetim için farklı kontrolörlerin performansları, yakıt pili yığınının sıcaklığı, zaman ağırlıklı mutlak hata entegrali (ITAE), ve parazit enerji gereksinimleri açılarından değerlendirilmiştir. Pompa voltajını değişken olarak tutup, fan kullanımını aç/kapa kontrolörle en aza indirgemek daha iyi sonuçlar vermiştir. Model ve kontrolörlerin geliştirilmesi ve uygulanmasında MATLAB Simulink kullanılmıştır.
Özet (Çeviri)
Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells attract an extensive interest due to their advantageous properties. To compete with the conventional power generators fuel cell systems should ensure safe and efficient operations at any time. To achieve satisfactory operations, all the process requirements should be determined and implemented within the operational constraints. Thermal management, reactant supply, water management and power management are some of the main issues for which proper and sufficient control strategies should be developed and implemented by the control system. In this study a portable 3kW PEM fuel cell system is modeled to understand the system dynamics. The system model includes the fuel cell stack, humidifier, compressor, inlet and outlet manifolds, and cooling system. Model development is carried out by the mass and energy balances, thermodynamics and kinetics. To define unknown system parameters some experiments are performed on stack and the cooling system and a semi-empirical model is constructed. For the compressor a feedback (PI) controller is combined with a static feed-forward controller. It is observed that the compressor adapts to dynamic changes within small durations. A membrane type, shell and tube structured humidifier is modeled and compared with literature and a reasonable agreement is observed. Two different humidifiers are simulated to see the effect number of tubes involved in humidifier. It is observed that increasing the number of tubes results in better humidification as expected. Three different control strategies are analyzed for the cooling system involving a pump, radiator and fan. The performances of different controllers for thermal management are evaluated in terms of stack temperature, integral time weighted absolute error (ITAE) and the parasitic energy requirements. Minimizing fan usage with an on/off controller while keeping the pump voltage as a variable gives better results. MATLAB Simulink is used for development and implementation of models and controllers
Benzer Tezler
- Modeling and analysis of flow and heat transfer in a large PEM fuel cell suitable for automotive applications
Büyük boyutlu otomotive uygulanabilir proton değişim membranlı yakıt hücresi ısı ve kütle transfer modellemesi ve analizi
BERK YİĞİNSU
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
EnerjiSabancı ÜniversitesiEnerji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERHAT YEŞİLYURT
- PEM elektrolizörün sayısal modellemesi ve deneysel doğrulanması
Numerical modeling and experimental validation of PEM electrolyzer
SAFİYE NUR ÖZDEMİR
- Şebekeden bağımsız rüzgâr, güneş ve hidrojen kaynaklı hibrit enerji sisteminin analizi
Analysis of a stand-alone wind-solar and hydrogen hybrid power system
ERKAN DURSUN
Doktora
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiElektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. OSMAN KILIÇ
DOÇ. DR. HALUK GÖRGÜN
- Model predictive control of a fuel cell hybrid test bench for railway applications
Raylı sistem uygulamalarında kullanılmak üzere yakıt hücreli hibrit bir test düzeneğinin model öngörülü kontrolü
İBRAHİM HAKYEMEZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiRaylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZCAN KALENDERLİ
- Fuel cell systems: Theory and applications
Yakıt hücresi sistemleri: Teori ve uygulamaları
MEHMET ÖLMEZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. CÜNEYT GÜZELİŞ