Optimized power control strategy for a proton exchange membrane fuel cell system
Proton değişim membranlı yakıt hücresi sistemi için optimize edilmiş güç kontrol stratejisi
- Tez No: 874197
- Danışmanlar: PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Enerji, Otomotiv Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Energy, Automotive Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Küresel ısınma, gezegenimizin karşı karşıya olduğu en büyük tehditlerden biri haline gelmiştir. Bu tehdidin temel nedenleri, insan faaliyetleri sonucu atmosfere salınan sera gazlarının artması ve buna bağlı olarak sera etkisinin güçlenmesidir. Fosil yakıtların yaygın kullanımı, endüstriyel tesislerin emisyonları, artan tarım uygulamalarıyla ormansızlaşma gibi etkenler, atmosferdeki sera gazlarının konsantrasyonlarını artırmakta ve gezegenimizin ısınmasına sebep olmaktadır. Bu sorunun üstesinden gelmek için, yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelimin artırılması kritik önem taşır. Yenilenebilir enerji kaynakları, çevreye zarar vermeden enerji üretme potansiyeline sahip olup, fosil yakıtların kullanımını azaltarak sera gazı salınımını düşürmeye yardımcı olur. Bu bağlamda, yakıt hücresi teknolojisi, temiz enerji üretimine yönelik yenilikçi bir yaklaşım sunarak küresel ısınma sorununa etkili bir çözüm sunmaktadır. Yakıt hücresi, kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren bir enerji dönüşüm cihazıdır. Bu teknoloji, genellikle hidrojen ve oksijenin elektrokimyasal tepkimeye girmesiyle elektrik üretirken, aynı zamanda temiz su ve ısı gibi faydalı çıktılar da üretebilir. Yakıt hücresi teknolojisi, geniş bir kullanım yelpazesine sahip olup, hem yerleşik hem de mobil uygulamalarda öne çıkmaya başlamıştır. Yerleşik kullanımı elektrik üretimi için güç santrallerinden endüstriyel uygulamalara kadar uzanırken, mobil kullanımı ulaşım araçlarından taşınabilir elektronik cihazlara kadar çeşitlenir. Katı oksit, alkalin, fosforik asit, polimer elektrot membranlı gibi çeşitli yakıt hücresi tipleri bulunur. Konvansiyonel motorlara göre yakıt hücresinin enerji yoğunluğunun fazla olması, yüksek verimi ve karbon emisyonunun olmaması gibi avantajları nedeniyle öne çıkmaya başladığı alanlardan birisi de otomotiv sektörüdür. Avrupa Birliği, güncellenen emisyon standartlarıyla içten yanmalı motorlardan kaynaklanan zararlı emisyonları azaltmayı hedeflemektedir. Bunun yanısıra 2035'ten itibaren satılacak tüm otomobillerin sıfır emisyonlu olması dolayısıyla benzinli ve dizel araçların satışının yasaklanmasını hedeflenmektedir. Bu gibi hedefler nedeniyle otomotiv sektöründe elektrifikasyonun önemi artmış ve son yıllarda elektrikli araçların satış rakamlarında yükselme gözlenmiştir. Batarya teknolojisindeki gelişmeler, teşvikler, altyapının yaygınlaşması ve tüketici davranışlarının değişmeye başlamasıyla bataryalı elektrikli araçların pazardaki payı günden güne artmaktadır. Bataryalı elektrik araçlar karbon emisyonsuz ve sessiz sürüş, parça sayısının az olması nedeniyle düşük bakım maliyeti, şarj maliyetinin ucuz olması avantajları sunmasına karşılık tek güç kaynağı olarak batarya kullanması neticesinde bazı dezavantajlara da sahiptir. Gerekli şarj süresinin yüksek olması, bataryanın hızlı tükenen ömrü ve buna karşılık yüksek maliyeti, bataryaların düşük özgül enerjisi nedeniyle getirdiği yüksek ağırlık ve menzil kısıtlaması, soğuk hava şartları ve hızla orantılı olarak performans kayıpları ve batarya yangınlarının kontrol alınamaması gibi problemler bataryalı araçların yaygınlaşmasını önlemektedir. Buna yönelik olarak hibrit araçların geliştirilmesiyle içten yanmalı motor - batarya birlikteliği sunmuş oldukları avantajların ayrı olarak kullanımını sağlamış olur, ancak içten yanmalı motorların belli bir vadesi olması nedeniyle bu çözümün de uzun vadede etkili olması beklenmemektedir. Yakıt hücresi teknolojisinin, hibrit araçlarda içten yanmalı motorun yerini alması alternatif bir çözümlerden biridir. Yakıt hücresi teknolojisi hidrojen bazlı bir yakıt türü gerektirmektedir, ve hidrojen tankı vasıtasıyla araçta depo edilebilmektedir. Bu haliyle içten yanmalı motorlu araçlara benzer şekilde depo dolumu hızlı bir şekilde yapılabilmekte ve menzil açısından tek kısıt depo büyüklüğü olmaktadır. Hibrit kullanımla birlikte gerekli batarya boyutu azalmakta ve verimli enerji yönetimiyle beraber performans kayıpları azaltılabilmektedir, ancak yakıt hücresi teknolojisinin de getirmiş olduğu bazı dezavantajlar vardır ve bunların da giderilmesi gerekir. Yakıt hücresi teknolojisindeki başlıca sıkıntılardan bir tanesi bozunum faktörlerine bağlı olarak hücrenin performansının azalması veya bozulmasıdır. Katalizör zayıflaması, membran hasarı, elektrot kirlenmesi, su yönetimindeki problemler ve voltaj kayıpları yakıt hücresinin bozunumunu hızlandırır ve ömrünü azaltır. Hücre tasarımının optimizasyonu, uygun elektrot malzeme seçimi, yüksek kaliteli yakıt kullanımı ve operasyonel koşulların bozunum koşulları gözetilerek kontrol edilmesiyle hücre ömrü uzatılabilir. Kontrol mühendisliği kapsamında bu çalışmada operasyonel koşullara odaklanıldı. Yakıt hücresi sistemlerinde kontrol edilmesi gereken önemli operasyonel koşullardan bir tanesi oksijen konsantrasyonudur. Oksijen konsantrasyonu, kontrol edilmediği durumlarda bozunumu hızlandırabilir. Örneğin oksijen konsantrasyonu yetersizliğinin bozunumu hızlandırdığını gösteren çalışmalar vardır. Oksijen konsantrasyonu fazlalığı durumundaysa hava kompresörünün fazla çalışması nedeniyle fazla güç tüketimi vardır. Dolasısıyla güç kontrolü sırasında oksijen konsantrasyonunun optimize edilmesi gerekmektedir. Bu tez çalışmasında yakıt hücresindeki değişen çalışma koşullarında oksijen konsantrasyondaki anlık düşmelerin engellenmesi ve optimize edilmiş oksijen konsantrasyonunda hücrenin çalışmasını sağlayacak kontrol stratejisinin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bu kontrol stratejisi oksijen konsantrasyonunun yanı sıra güç kontrolünü de içermektedir. Önerilen güç kontrol strateji, Michigan Üniversitesine ait açık kaynaklı bir proton değişim membranlı yakıt hücresi sistemi modeli üzerinde yapılan simulasyonlarla geliştirilmiştir. Bu modelde yakıt hücresi sistemi kompressor, besleme ve geri dönüş manifoldu, nemlendirici, anot akış sağlayıcısı ve hücre yığını modellerinin birleştirilmesiyle sistem modeli oluşturulmuştur. Hücre yığını akımı ve kompressor gerilimi sistem modelinin girişleri olup oksijen fazlalık oranı ve net güç sistem modelinin çıktılarıdır. Kontrol sistemi istenilen net güçte sistemi çalıştıracak şekilde sistem girişlerini ayarlar ve sistem çıktılarını istenilen oturma süresi ve aşım oranı doğrultunda kontrol eder. Hücre yığını güç üretirken kompressorün uygulanan gerilimle birlikte güç tüketimi simüle edilir. Hücre yığını modeli aynı zamanda elektrokimyasal denklemler vasıtasıyla beslenen oksijene karşılık uygulanan akıma göre tüketilen oksijeni oranlayarak oksijen fazlalık oranı adında değişkeni hesaplar. Kompressorün baskın güç tüketici komponent olması dolayısıyla diğer güç tüketici komponentler net güç hesaplamasında ihmal edilmiştir. Anot akış sağlayıcısı sisteme ait olup besleme manifolduyla anot basıncı arasındaki farka göre yakıt beslemesini kontrol eder. Nemlendirici de hücre yığınının ayarlanmış nemde çalışmasını regüle eder. Kolektörler toplanmış hacim varsayımıyle modellenerek ısıl iletim ve akışkan dinamikleri hesaplarında kullanılır. Oksijen konsantrasyonu, literatürde de oksijen fazlalık oranı adı verilen bir parametre vasıtasıyla kontrol edilir. Sisteme beslenen oksijenin kullanılan oksijene oranı oksijen fazlalık oranı olarak verilir. Beslenen oksijen miktarı kullanılandan düşük olamayacağından bu oranın değeri teorik olarak en düşük 1 olabilir. Beslenen oksijen miktarı kompressor motorunun tükettiği enerjiyle orantılıyken, kullanılan oksijen miktarı hücreden geçen akımla orantılıdır. Hücreden geçen akım aynı zamanda yakıt hücresinden üretilen güçle orantılıdır. Yakıt hücresi sisteminden elde edilebilecek net güç, kompressor gibi güç tüketen yardımcı komponentlerin çalıştırılmasına harcanan gücün hücreden elde edilen güçten çıkarılmasıyla elde edilir. Net gücü maksimize edebilmek için de yüksek hücre akımı - düşük kompresör gerilimi seçeneği uygun gibi gözükse de yetersiz oksijen beslemesi sonucu istenilen güç elde edilemez. Dolayısıyla kompressor gerilimi, optimize edilmiş oksijen fazlalık oranını verecek şekilde üretilmelidir. Bu çalışmada deneysel eğriler kullanılarak tablo-bazlı güce bağlı olarak referans oksijen fazlalık oranı üreticisi tasarlanmıştır. Çalışılmak istenen güçte maksimum verimi sağlayan oksijen fazlalık oranı kontrol sistemine referans olarak verilmektedir. Oksijen fazlalık oranı kontrolündeki sıkıntılardan bir tanesi de hücre akımının bozucu etki olarak etki etmesidir. Artan hücre akımıyla birlikte reaksiyonlar hızlanacağından kullanılması gereken oksijen miktarı artması gerekir ancak akımdaki artışa paralel olarak kompresör gerilimi artırılmazsa oksijen fazlalık oranı anlık olarak yetersiz kalır. Bu duruma oksijen açlığı denir ve hücre bozunumunu hızlandırıcı bir etkiye sahiptir. Oksijen açlığının önlenmesi için hücre akımındaki değişime paralel kompressor geriliminde değişimler uygulanmalıdır. Bu çalışmada akıma bağlı statik ileri beslemeli kontrolcü kullanılmıştır. Uygulanan akımla doğru orantılı olarak ileri besleme kompresör gerilimi terimi üretilir, ve geri beslememe kontrolcünün ürettiği kompresor gerilimine eklenerek nihai kompresor gerilimi elde edilir ve kompresöre uygulanır. İleri beslemeli kontrolcü sayesinde oksijen seviyesindeki ani düşmelerin engellendiği test sonuçlarında gösterilmiştir. Yakıt hücresi güç kontrol sistemi minimum fazlı olmayan sisteme iyi bir örnektir. Referans oksijen fazlalığı oranı yakalandığında güç maksimize edilirken oksijen dinamiklerinin geçici cevabının iyileştirilmesi sırasında kompresör tüketimi fazla olacağından net güçte anlık düşmeye neden olabilir veya istenen miktarda gücün üretilememesine neden olabilir. oksijen fazlalığı oranı ve güç kontrolünde kontrolcü tasarımında başlangıç fazında klasik PI kontrol yöntemi tercih edilmiştir. Endüstride de sık olarak tercih edilmesiyle kanıtlanmış performansı, basit bir matematiksel yapıya sahip olması ve kalibrasyon parametreleriyle ayarlanabilir esnekliği dolayısıyla tercih edilmiştir. Yakıt hücresi sistemi kompleks doğrusal olmayan sistem karakteristiği nedeniyle her çalışma noktasında farklı tepkiler vermektedir. Dolayısıyla analitik parametre ayarlama methodları kullanımı yerine kontrolcü parametrelerinin ayarlanması deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. Klasik PI kontrolcünün yerleşme zamanında istenilen performansı vermemesi ve klasik PID'nin stabilite sorunları nedeniyle gelişmiş bir kontrolcü olan bulanık mantık tabanlı PID kontrolör kullanımı önerilmiştir. Son bölümde gelişmiş kontrolcü yöntemi olarak bulanık tip 1 ve tip 2 PID kontrolcüler denenerek klasik kontrolcüsüyle elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Ölçeklendirme katsayıları değiştirilerek tip-1 kontrolcü, ve üyelik fonksiyonu belirsizlik ayakizi katsayıları değiştirilerek tip-2 kontrolcüler test edilmiştir. Elde edilen deneysel sonuçlarda tip 1 kontrolcünün ölçeklendirme katsayılarının ayarlanmasıyla klasik PI kontrolcüye göre iyi sonuçlar elde edilse de tip-2 kontrolcünün ayarlanmasıyla sonuçlarda iyileşme görülmemiştir. Dolayısıyla tip-1 bulanık mantıklı PID kontrolcünün kullanılması oksijen dinamikleri açısında en iyi sonucu vermiştir. Önerilen kontrolcü konfigurasyonu yalnız klasik kontrolcü kullanımına göre önemli ölçüde yerleşim zamanını iyileştirmiştir. Verim ifadesi bu çalışma için türetilmiş olup modele entegre edilmiştir. Yakıt hücresi sisteminin test edilen güç noktalarında %45-50 civarlarında verimle çalıştığı gösterilmiştir. Ayrıca oksijen fazlalık oranı kontrolünde optimal oranın sağlanması durumunda sağlanmadığı duruma göre %0.6'lık bir iyileşme sağladığı gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Global warming has become one of the greatest threats our planet is facing. The primary causes of this threat include the increase in greenhouse gas emissions into the atmosphere as a result of human activities, leading to a strengthening of the greenhouse effect. Factors such as widespread use of fossil fuels, emissions from industrial facilities, agricultural practices, and deforestation contribute to increasing concentrations of greenhouse gases in the atmosphere, causing global warming. To address this issue, increasing the focus on renewable energy sources is of critical importance. Renewable energy sources have the potential to generate energy without harming the environment, thereby reducing greenhouse gas emissions by decreasing the use of fossil fuels. In this context, fuel cell technology presents an innovative approach to clean energy production, offering an effective solution to the problem of global warming. A fuel cell is an energy conversion device that directly converts chemical energy into electrical energy. This technology typically generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and also can produce useful outputs such as clean water and heat. Fuel cell technology has a wide range of applications, emerging prominently in both stationary and mobile applications. Stationary use ranges from power generation in power plants to industrial applications, while mobile use extends from transportation vehicles to portable electronic devices. Various types of fuel cells exist, such as solid oxide, alkaline, phosphoric acid, and polymer electrolyte membrane fuel cells. Due to advantages such as high energy density compared to internal combustion engines, high efficiency, and lack of carbon emissions, fuel cell is becoming increasingly prominent in the automotive sector. The European Union aims to reduce harmful emissions from internal combustion engines with updated emission standards. Additionally, a ban on the sale of gasoline and diesel vehicles is targeted from 2035 onwards, leading to an increase in the importance of electrification in the automotive sector, with rising sales of electric vehicles observed in recent years. Advances in battery technology, incentives, widespread infrastructure, and changing consumer behavior have contributed to the increasing market share of battery electric vehicles. While battery electric vehicles offer advantages such as carbon emissions-free and silent operation, low maintenance costs due to fewer parts, and cheaper charging costs, they also have some disadvantages as a result of relying solely on batteries as the power source. Challenges include long charging times, short battery lifespan, high cost, high weight due to low specific energy of batteries leading to range limitations, performance degradation in cold weather, and uncontrolled battery fires. In response, the development of hybrid vehicles provides a separate use of the advantages offered by internal combustion engines and batteries, but the long-term effectiveness of this solution is not expected due to the limited lifespan of internal combustion engines. Fuel cell technology presents an alternative solution, potentially replacing internal combustion engines in hybrid vehicles. Fuel cell technology requires a hydrogen-based fuel type and can be stored in a vehicle via hydrogen tanks. As a result, refueling can be done quickly similar to internal combustion engine vehicles, with the only limitation being the size of the tank. With hybrid use, the required battery size decreases, and performance losses can be reduced with efficient energy management. However, fuel cell technology also has some disadvantages that need to be addressed. One of the main challenges in fuel cell technology is the decrease or deterioration of cell performance due to degradation factors. Catalyst degradation, membrane damage, electrode fouling, water management issues, and voltage losses accelerate cell degradation and reduce its lifespan. Optimizing cell design, selecting suitable electrode materials, using high-quality fuel, and controlling operational conditions considering degradation conditions can extend cell life. From control engineering perspective, improving operational conditions is the main theme of this study. One of the important operational conditions that need to be controlled is oxygen concentration. In situations where oxygen concentration is not controlled, degradation is accelerated. For example, there are studies in the literature showing that oxygen deficiency accelerates degradation. In opposite cases like excess oxygen concentration, there is excessive power consumption due to the overworking of the air compressor. Therefore, oxygen concentration needs to be optimally controlled during power control. This thesis aims to prevent instantaneous drops in oxygen concentration and develop a control strategy that ensures the operation of the cell at optimized oxygen concentration. This control strategy includes power control as well as oxygen concentration control. The proposed power control strategy is tested on an open-source proton exchange membrane fuel cell system model from Michigan University. This model integrates compressor, supply and return manifold, humidifier, anode flow supplier, and cell stack models. The stack current and compressor voltage are inputs to the system model, while the oxygen excess ratio and net power are outputs of the system model. The control system adjusts system inputs to operate the system at the desired net power and desired settling time and overshoot ratio. While the stack produces power, the power consumption of the compressor is simulated with the applied compressor voltage. The stack model also calculates the oxygen excess ratio by proportioning the oxygen supplied to the consumed. Since the compressor is the dominant power-consuming component, other power-consuming components have been neglected in net power calculations. The anode flow distributor controls fuel supply based on the difference between the supply manifold and anode pressure. The humidifier regulates the operation of the cell stack at the set humidity. Collectors are modeled by assuming a collected volume and used in thermal conduction and fluid dynamics calculations. Oxygen concentration is controlled through a parameter called the oxygen excess ratio. The ratio of the supplied oxygen to the consumed oxygen during power generation is given as the oxygen excess ratio. Since the oxygen fed into the system cannot be less than the oxygen used, the value of this ratio can theoretically be a minimum of 1. Since the oxygen fed into the system is proportional to the power consumption of the compressor motor, and the oxygen consumed is proportional to the current drawn, and the current drawn is also proportional to the power generated by the cell. The net power obtained from the fuel cell system is obtained by subtracting the power consumed by the compressor from the power generated from the cell. Although the option of high cell current - low operating voltage for compressor seems suitable for maximizing net power, the desired power cannot be obtained due to inadequate oxygen supply. Therefore, compressor voltage should be regulated to provide optimized oxygen excess ratio to maximize the net power. In this study, a look-up table based reference oxygen excess ratio generator is used via curves of experimental data. The oxygen excess ratio that maximizes the desired power is provided to oxygen excess ratio controller as a reference. One of the difficulties in controlling the excess oxygen ratio is the disturbance effect of cell current. With increasing cell current, reactions accelerate, requiring an increased amount of oxygen to be used. However, if the compressor voltage is not increased in parallel with the increase in current, the excess oxygen ratio becomes insufficient instantly. This situation is called oxygen starvation and has an accelerating effect on cell degradation. To prevent oxygen starvation, changes in compressor voltage parallel to changes in cell current must be applied. In this study, a current-dependent static feedforward controller is used. A feedforward compressor voltage term is generated in proportion to the applied current, and it is added to the compressor voltage generated by the feedback controller to obtain the final compressor voltage applied to the compressor. Test results have shown that sudden decreases in oxygen level are avoided thanks to the feedforward controller. The fuel cell power system is a good example of a non-minimum phase system. When the reference oxygen excess ratio is reached, the power is guaranteed to be maximized while improving the transient response of oxygen dynamics leads to a decrease in net power for a moment due to excessive compressor consumption. The classic PI control method has been preferred as the initial configuration for the control of oxygen excess ratio and power. The reason for its frequent preference in industry, its simple mathematical structure and adjustable flexibility with calibration parameters. The fuel cell system exhibits different responses at each operating point due to its complex nonlinear system characteristics. Therefore, rather than analytical methods, tuning of controller parameters is executed experimentally. Non-minimum phase dynamics result infeasible usage of classical PID controllers due to insufficient stability. To have a better settling time performance for oxygen excess ratio, nonlinear fuzzy logic-based PID controller is proposed as an alternative to linear PI controllers. In the final section, fuzzy type 1 and type 2 PID controllers are tested. While better transient results are obtained after experimental tuning of scaling coefficients for the type-1, no improvement is observed with the adjustment of the type-2 controller. Therefore, the use of a type-1 fuzzy logic-based PID controller has yielded the best results in terms of oxygen transient dynamics. An efficiency formula is derived for this study and implemented within the model. It indicates that system have an efficiency range of 45-50%. Additionally, optimality of OER brings 0.6% improvement in efficiency compared to a non-optimal scenario.
Benzer Tezler
- Deprem etkisindeki yapılarda aktif ve pasif kontrol sistemlerinin uygulanması
Başlık çevirisi yok
BARIŞ SARI
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. NECMETTİN GÜNDÜZ
- Steady- state and transient performance analyses of a double output induction generator operating atsubsynchronous and supersynchronous speeds
Senkron altı ve senkron üstü hızlarda çalışabilen çift çıkışlı bir endüksiyon generatörünün kararlı ve geçici durum başarım analizleri
IŞIK ÇADIRCI
Yüksek Lisans
İngilizce
1994
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUAMMER ERMİŞ
- Menzili uzatılmış elektrikli araçlarda eş değer yakıt tüketimi ile yakıt ve nox optimizasyonu
Nox and fuel optimization on range extended vehicles using equivalent consumption of minimization strategy
AYŞEGÜL KURŞUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SALMAN KURTULAN
- Dizel motorların doğal gaz motorlarına dönüştürülmesi
conversion of diesel engines to natural gas engines
FUAT PANCAR
- Mikroşebekeler için hiyerarşik enerji yönetim sistemi tasarımı ve uygulaması
Hierarchical energy management system design and implementation for microgrids
AHMET KAYSAL
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiPamukkale ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELİM KÖROĞLU
PROF. DR. YÜKSEL OĞUZ