PEM yakıt pillerinin modellenmesi ve simülasyonu
Modeling and simulation of PEM fuel cells
Yazar: ÜMİT UYSAL
Danışman: PROF. DR. SELİM SİVRİOĞLU
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Hızla artan enerji ihtiyacı, sınırlı miktarda olan fosil yakıtlar ve çevreye dostu enerji arayışları yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgiyi artırmıştır. Hidrojenin yakıt olarak kullanıldığı yakıt pilleri yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. Polimer elektrolit yakıt pilleri yüksek güç yoğunluğu, yüksek güç dönüşüm verimleri, düşük sıcaklıkta çalışmaları gibi özellikleri sayesinde geniş kullanım alanları bulmaktadır. PEM yakıt pillerinin davranışı oldukça nonlineerdir ve sıcaklık, reaksiyon basıncı, membran suyu, reaksiyon konsantrasyonu, elektriksel yük gibi birçok değişik faktöre bağlıdır. PEM yakıt pillerinin matematiksel olarak modellenmesi ile yakıt pili davranışını tahmin etmek, performansını arttırmak ve güç tahrik sistemi uygulamalarında enerji kaynağı olarak kullanılma potansiyelini ortaya çıkarmak açısında önemlidir.Bu çalışmada ilk olarak PEM yakıt pilleri, süperkapasitörler ve konvertörler hakkında genel bilgiler verildi. Daha sonra her bir sistem için ayrı modeller oluşturularak sistemin tasarımı yapıldı. Son bölümde polimer elektrolit yakıt pili simülasyonu gerçekleştirilerek yakıt pilinin karakteri hakkında yorumlar yapıldı. Yine bu bölümde tasarım çalışmaları yapıldı. İlk tasarım olarak yakıt piline konvertör eklenerek çıkış gerilimi düzenlendi ve güç ihtiyacını hangi durumda karşılayabileceği belirlendi. İkinci tasarım çalışmasında ise yakıt pilinin ana enerji kaynağı, süperkapasitörün ise enerji depolamak için kullanıldığı bir yapı ele alındı. Yakıt pilinin güç ihtiyacını karşılayamadığı anlık durumlarda aradaki toplam güç farkını süperkapasitörün karşılaması, güç ihtiyacının düşük olduğu durumlarda ise yakıt pilinin süperkapasitörü şarj etmesi incelenmiştir.

Abstract:
The energy demand which is increasing rapidly, limited fossil fuels and researches for environmentally friendly energy, increase the attention to the renewable energy sources. Fuel cells which use hydrogen as fuel, is one example of renewable energy sources. Polymer electrolyte (PEM) fuel cell has a huge field of usage with properties such as high power density, high power conversion density and working at low temperature. PEM fuel cell behavior is quite nonlinear and its behavior depends on such as temperature, pressure, membrane dryness, reaction concentration, electrical load. Mathematical modeling of PEM fuel cell is important as estimating fuel cell behavior, improving performance and ability to use energy source in power drive system application.Firstly, in this study, some general information about Polymer electrolyte fuel cells, supercapacitors and converters were given. And then, the design of system was created for each part by planning own models. In the last section, some comments were given for fuel cell character by simulating Polymer electrolyte fuel cell. And designing studies were made here, either. For first design, output voltage has been regulated by adding converters to the fuel cell and also the power demand conditions which could be supplied have been determined. In the second design, a construction in which fuel cell was used as main energy source and super-capacitor was used as energy storage, has been considered. The cases that when the fuel cell could not supply power requirement, super-capacitor meet the difference and when the power requirement was low, the fuel cell has charged the supercapacitor were studied.