Yakıt pilleri ve bir PEM yakıt pili sisteminin dinamik benzetimi

Abstract

Geçtigimiz yüzyılda, enerji tüketimindeki hızlı artıs ve enerji kaynaklarının sınırlılıgı,günümüzde birçok sorun ve endiseye neden olmustur. Bunun yanında küresel ısınma gibi çevreseletkilerin ciddi bir sekilde artması önemli tedbir ve planlamalar gerektirmektedir. Yenilenebilir enerjikaynakları bu tedbir, endise ve sorunlara çözüm olarak ortaya çıkmıstır. Hidrojen enerjisi yenilenebilirenerji kaynaklarının en önemlilerinden biridir. Hidrojenin yakıt olarak kullanıldıgı yakıt pilleri de buenerjinin en önemli kullanım alanlarındandır.Yakıt pili sistemlerinin gelistirilebilmesi için yakıt pillerinin çalısma prensibinin bilinmesigerekmektedir. Son yıllarda yakıt pili teknolojilerine olan ilgi gittikçe artmaktadır. Özellikle polimerelektrolit membranlı (proton degisim membran, PEM) yakıt pillerinde büyük gelismelerkaydedilmistir. PEM yakıt pilleri; düsük çalısma sıcaklıkları, yüksek güç yogunlukları ve yüksekenerji dönüsüm verimlerinden dolayı otomobiller ve sabit uygulamalar için potansiyel bir güç kaynagıolarak oldukça dikkat çekmektedir.Matematiksel modeller ve benzetimler yakıt pilleri, yıgınları, yakıt pili güç sistemlerinintasarım ve optimizasyonu için gerekli olan araçlar olarak görülmektedir. Son zamanlarda sayısalmodellemeler ve bilgisayar benzetimleri, daha iyi PEM yakıt pili sistemlerinin gelistirilmesi ve analizedilmesi için kullanılmaktadır.Bu çalısmada yakıt pilinin çalısma prensibi ve yakıt pili türleri arasındaki farklılıklarincelenmistir. Ayrıca, bir polimer elektrolit membran yakıt pili sistemi modellenmis, benzetimiyapılmıs ve sonuçlar sunulmustur. PEM yakıt pili sisteminin benzetimi ve modellenmesi için Matlab-Simulink yazılımı kullanılmıstır. Yakıt pili sistem modeli; reaktant akıs dinamikleri, yakıt pili modelive güç düzenleme biriminden meydana gelmistir. Aynı zamanda bir PEM yakıt pilinin karakteristigive verimi deneyler yardımıyla elde edilmistir. Benzetim sonuçları ve deneysel sonuçlar bu çalısmadasunulmustur. Bu çalısmada sunulan dinamik benzetim modeli ile sebekeye baglı ya da sebekedenbagımsız çalısan PEM yakıt pili generatör sistemleri uygulamaları gerçeklestirilebilir.Anahtar Kelimeler: Yakıt pili, PEM yakıt pili, Dinamik benzetim.

During the last century, rapid growth in energy consumption and limited resources of energyhas caused many concerns and issues today. Furthermore, environmental concerns, such as globalwarming, are becoming increasingly serious, and require significant attention and planning.Renewable energy sources are the answer to this needs, issues and concerns. Hydrogen energy is oneof the important renewable energy sources. Fuel cells which are used hydrogen as a fuel are the mostimportant area of this energy. Basic principles of the fuel cell are need to know for developed the fuelcell system. In the recent years there was an increasing interest in fuel cell technology. Especially,polymer electrolyte membrane (interchangeably called proton exchange membrane, PEM) has reacheda high development status. The PEM fuel cell has attracted a great deal of attention as a potentialpower source for automobile and stationary applications due to its low temperature of operation, highpower density and high energy conversion efficiency.Mathematical models and simulations are needed as tools for design and optimization of fuelcells, stacks, and fuel cell power systems. Recently, numerical modeling and computer simulationhave been used for improving and analyzing better PEM fuel cell systems.In this study, basic principle of the fuel cell and difference among fuel cell types areinvestigated. Also, the dynamics of a polymer electrolyte membrane fuel cell system is modeled,simulated and its results are presented. Matlab-Simulink is used for the modeling and simulation of thePEM fuel cell system. The fuel cell system model consists of the dynamics of reactant flow, fuel cellmodel and power conditioning unit. Also characteristics and efficiencies of a PEM fuel cell system areobtained by experiments. Simulation and experimental results are presented in this paper. Theanalyses of grid connected or stand alone applications of PEM fuel cell generator system can beachieved with this dynamic simulation model.Keywords: Fuel cell, PEM fuel cell, Dynamic simulation