Yakıt hücreli hibrit bir taşıtın modellenmesi ve verimliliğinin incelenmesi
Investigating efficiency of the modeled fuel cell hybrid vehicle
Yazar: MEHMET ALİ BİBERCİ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAHATTİN ÇELİK
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Dünyanın birçok ülkesinde otomobil kullanımının artması, fosil yakıt kaynaklarının azalan rezervi ve araç teknolojilerinde değişiklikler yeni araç geliştirme zorunluluğunu doğurmuştur. Ayrıca, taşımacılık sektöründen kaynaklanan çevre sorunları, elektrikli araç (EA) kullanımını son on yılda hızla artırmıştır. Bu çalışmada; benzinli bir taşıt, hibrit benzinli bir taşıt ve yakıt hücreli bir taşıtın Matlab-Simulink ortamında modellemesi yapılmıştır. Taşıtların her bileşeni üretici teknik özelliklerine göre modellenmiştir. Sürücü kontrolcüsü belirlenen sürüş çevriminin hız değerine göre araç hızını ve pozisyonunu ayarlamakta ve bu şekilde gerçekci bir dinamik modelleme ve simülasyon ortamı oluşturulmasını sağlamaktadır.  Benzinli taşıt ve hibrit benzinli taşıt çalışma kapsamında oluşturulan araç sürüş çevrimi ile sürülerek verimlilikleri kıyaslanmıştır. Sürüş yolu olarak Karabük-Safranbolu yolu kullanılmıştır. Sürüş yol şartları, aracın çevrim boyunca her bir konumundaki GPS verilerinden elde edilen yükseklik ve mesafe değerlerine 
göre belirlenmiştir. Yol şartları ve sürüş çevrimi boyunca modellenen araçlar simüle edilmiştir. Hibrit benzinli taşıt için 1 litre yakıtla alınan yol 57,46 km olurken benzinli taşıt için bu değer 15,9 km olmuştur. Yaklaşık olarak hibrit benzinli taşıt, benzinli taşıta göre 4 kat daha iyi yakıt verimine sahip olması yanında emisyon değerleri de önemli ölçüde iyileşmektedir. Yakıt pilli taşıt için bir otomotiv yakıt hücresi sistemi geliştirilmiştir. Yakıt hücresi sistemi, yakıt pili yığını ve sistem yardımcı bileşenlerinden (kompresör, fan, pompa, nemlendirici) oluşmaktadır. Oluşturulan yakıt pili sistemi 625 cm2 alana sahip ve 230 hücreden oluşmakta olup yaklaşık 90-140 kW arası güce çıkabilmektedir. Bu tip bir yakıt pili günümüz araçlarına uygun güç üretmekte olup bütünsel bir sistem olduğu için rahatlıkla bir araca uygulanabilir yapıdadır. Modellenen yakıt pilli taşıt ECE-15 sürüş çevrimi kullanılarak denenmiştir. Çevrim boyunca yakıt pili sisteminin enerji ve su yönetimi, ısı transferi, yakıt tüketimi ve sistem verimliliği incelenmiştir. Yardımcı bileşenlerden en fazla enerji tüketiminin fandan kaynaklandığı belirlenmiştir. Çevrim boyunca 0.004 g hidrojen yakıtı tüketilmiştir. Yakıt pili sisteminde en yüksek sistem verimi 3 atm başınçta %48,2 olarak bulunmuştur. Yardımcı ekipmanların güç tüketiminden dolayı verim %25 değerine düşmüştür. Kurulan sistemin gerçek bir sisteme benzerliğini belirlemek amacıyla, bir deneysel çalışmadan alınan verilerle model verileri kıyaslanmış ve model anlamlı bulunmuştur. Simulink ortamında oluşturulan hibrit ve yakıt pilli taşıt modellerinin gelecekteki prototip araç çalışmalarına stratejik avantajlar ve yenilikler sağlayabileceği beklenmektedir.

Anahtar Sözcükler: Elektrikli taşıt, hibrid araç, yakıt pilli (hücreli) taşıt, yakıt hücresi

Abstract:
The increase in the use of automobiles in many countries of the world and the decreasing reserves of fossil fuel resources have led to the necessity of changing vehicle technologies and developing new vehicles. Therefore, environmental problems arising from the transport sector have rapidly increased the use of electric vehicles (EA) in the last decade. In this study; a gasoline vehicle, a hybrid gasoline vehicle and a fuel cell vehicle were modeled in Matlab-Simulink environment. Each component of the vehicles is modeled according to the manufacturer's specifications. The driver controller adjusts the vehicle speed and position according to the speed value of the specified driving cycle, and thus provides a realistic dynamic modeling and simulation environment. The efficiency of the gasoline vehicle and hybrid gasoline vehicle was compared with the driving cycle created within the scope of the study. Karabük-Safranbolu road was used as the driving road. The driving road  
conditions were determined according to the height and distance values obtained from the GPS data at each position of the vehicle throughout the cycle. The vehicles modeled throughout the road conditions and driving cycle were simulated. While the distance covered by 1 liter of fuel for a hybrid gasoline vehicle was 57,46 km, this value was 15,9 km for a gasoline vehicle. In addition to having approximately 4 times better fuel efficiency than a gasoline vehicle, a hybrid gasoline vehicle has significantly improved emission values. An automotive fuel cell system has been developed for the fuel cell vehicle. The fuel cell system consists of the fuel cell stack and system auxiliary components (compressor, fan, pump, humidifier). The fuel cell system created has an area of 625 cm2 and consists of 230 cells and can reach a power of approximately 90-140 kW. This type of fuel cell generates power suitable for today's vehicles and can be easily applied to a vehicle because it is a holistic system. Modeled fuel cell vehicle was tested using ECE-15 driving cycle. Energy and water management, heat transfer, fuel consumption and system efficiency of the fuel cell system throughout the cycle have been studied. It has been determined that among the auxiliary components, the highest energy consumption originates from the fan. 0,004 g of hydrogen fuel was consumed during the cycle. The highest system efficiency in the fuel cell system was found to be 48,2% at 3 atm pressure. The efficiency has dropped to 25% due to the power consumption of the auxiliary equipment. In order to determine the similarity of the established system to a real system, the model data were compared with the data obtained from an experimental study and the model was found meaningful. It is expected that hybrid and fuel cell vehicle models created in Simulink environment can provide strategic advantages and innovations to future prototype vehicle studies.

Keywords: Electric vehicle, hybrid vehicle, fuel cell vehicle, fuel cell