PEM tipi yakıt hücrelerinin denetim eğilimli modellenmesi ve denetleyici tasarımı
Controller based modelling and controller design of PEMFCs
Yazar: YAVUZ EREN
Danışman: DOÇ. DR. HALUK GÖRGÜN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde ana enerji kaynağı olan fosil yakıtların çevreye verdiği ciddi zararlardan ve yakın zamanda tükenecekleri gerçeğinden dolayı hidrojen yakıtlı enerji sistemleri alternatif enerji kaynağı olarak gündeme gelmiş ve yakıt hücresi sistemleri geliştirilmiştir. Hidrojen yakıtlı yakıt hücresi sistemlerinin sıfır veya çok düşük emisyona sahip olmaları, hareketli parçalar içermemeleri, sessiz çalışmaları ve modüler yapıya sahip olmalarından dolayı özellikle taşıt sistemlerinde kullanımı uygun görülmektedir.Geliştirilen yakıt hücresi sistemleri içinde proton geçirimli membran tipi(PEM) yakıt hücreli sistemler daha yaygındır. Bunun nedeni düşük sıcaklıklarda çalışmaları, düşük termal kayıplara sahip olmaları, kısa sürede devreye alınabilmeleri, kontrol edilebilirliklerinin kolaylığı ile dinamik uygulamalarda uygulanabilirliklerinin daha yüksek olmasıdır. Yukarıda sayılan özellikler gereği günümüzde yapılan yakıt hücresi araştırmalarının %90'ı PEM tipi yakıt hücreleri üzerinedir.Bu tez çalışmasında dinamik sistemler için önemli avantajlar sağlayan PEM tipli yakıt hücreleri teorik olarak matematiksel modeli ile incelenmiştir. Sistem, denetletici tasarımı için iki alt model halinde ele alınmıştır. Bu alt modeller kompresör ve besleme kanalı modeli ve yakıt hücresi modül yapısı modelidir. Kompresör ve besleme kanalı alt sistemleri için parametre değişimlerinden etkilenmeyen modele dayalı uyarlamalı denetleyici (MRAC) gerçekleştirilmiştir. Yakıt hücresi modül yapısı için ise sistem için minumum parazitik yük kullanımını sağlayacak doğrusal karesel denetleyici (LQR) tasarımı gerçekleştirlmiştir. Bu tasarım ile sistemin hem parametre değişimlerinden etkilenmemesi, hem de verimli bir yapı elde edilmesi öngörülmektedir.Anahtar Kelimeler: PEM Tipi Yakıt Hücresi, PEM Tipi Yakıt Hücrelerinin Denetlenmesi, Dinamik Modelleme, Doğrusal Karesel Regülatör, Modele Dayalı Uyarlamalı Denetleyici

Abstract:
Due to the fact that the fossil fuels, main energy resource of the world, seriously harm environment and have been depleting, hydrogen fueled energy systems have been foreseen as alternative energy source and followed by development of fuel cells. Fuel cell systems are especially suitable for mobile applications owing to near-zero emission, having immobile parts, operating noiseless and being modular structure.Among the other types PEM (Polymer Electrolyte Membrane) fuel cells are most common type of fuel cells. Operating in lower temperatures, starting-up in short time, having the lower thermal losses and having simple controllability make PEM fuel cells popular, about 90% of the fuel cell researchers concerned on PEMFC?s.In this thesis, dynamic modeling of PEMFC is studied and the system is analyzed under two subsystems for the sake of controller design. These two subsystems are compressor supply manifold subsystem and fuel cell stack subsystem consequently. For each subsystem different controllers are proposed. Model reference adaptive controller (MRAC), irresponsive to parameter changes, is realized for the compressor-supply manifold model, and linear quadratic regulator (LQR), provides to consume minimum parasitic power, is realized for the fuel cell stack system. Both designed controllers perform successfully and achieve performance criteria.Keywords: PEM Fuel Cells, Control of PEM Fuel Cells, Dynamic Modeling, Linear Quadratic Regulator, Model Reference Adaptive Control