Fuel cells and dynamic simulation of a PEM fuel cell system

Lisansüstü tezlerin elektronik ortamda toplanması, düzenlenmesi ve erişime açılması konusuna ilişkin yök'ün 18.06.2018 tarihli yönergesine istinaden artık bu tarihten sonra gizlilik şartı aranmayan bütün tezler erişime açılacaktır. Geçtigimiz yüzyılda, enerji tüketimindeki hızlı artıs ve enerji kaynaklarının sınırlılıgı, günümüzde birçok sorun ve endiseye neden olmustur. Bunun yanında küresel ısınma gibi çevresel etkilerin ciddi bir sekilde artması önemli tedbir ve planlamalar gerektirmektedir. Yenilenebilir enerji kaynakları bu tedbir, endise ve sorunlara çözüm olarak ortaya çıkmıstır. Hidrojen enerjisi yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemlilerinden biridir. Hidrojenin yakıt olarak kullanıldıgı yakıt pilleri de bu enerjinin en önemli kullanım alanlarındandır. Yakıt pili sistemlerinin gelistirilebilmesi için yakıt pillerinin çalısma prensibinin bilinmesi gerekmektedir. Son yıllarda yakıt pili teknolojilerine olan ilgi gittikçe artmaktadır. Özellikle polimer elektrolit membranlı (proton degisim membran, PEM) yakıt pillerinde büyük gelismeler kaydedilmistir. PEM yakıt pilleri; düsük çalısma sıcaklıkları, yüksek güç yogunlukları ve yüksek enerji dönüsüm verimlerinden dolayı otomobiller ve sabit uygulamalar için potansiyel bir güç kaynagı olarak oldukça dikkat çekmektedir. Matematiksel modeller ve benzetimler yakıt pilleri, yıgınları, yakıt pili güç sistemlerinin tasarım ve optimizasyonu için gerekli olan araçlar olarak görülmektedir. Son zamanlarda sayısal modellemeler ve bilgisayar benzetimleri, daha iyi PEM yakıt pili sistemlerinin gelistirilmesi ve analiz edilmesi için kullanılmaktadır. Bu çalısmada yakıt pilinin çalısma prensibi ve yakıt pili türleri arasındaki farklılıklar incelenmistir. Ayrıca, bir polimer elektrolit membran yakıt pili sistemi modellenmis, benzetimi yapılmıs ve sonuçlar sunulmustur. PEM yakıt pili sisteminin benzetimi ve modellenmesi için Matlab- Simulink yazılımı kullanılmıstır. Yakıt pili sistem modeli; reaktant akıs dinamikleri, yakıt pili modeli ve güç düzenleme biriminden meydana gelmistir. Aynı zamanda bir PEM yakıt pilinin karakteristigi ve verimi deneyler yardımıyla elde edilmistir. Benzetim sonuçları ve deneysel sonuçlar bu çalısmada sunulmustur. Bu çalısmada sunulan dinamik benzetim modeli ile sebekeye baglı ya da sebekeden bagımsız çalısan PEM yakıt pili generatör sistemleri uygulamaları gerçeklestirilebilir. During the last century, rapid growth in energy consumption and limited resources of energy has caused many concerns and issues today. Furthermore, environmental concerns, such as global warming, 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 one of the important renewable energy sources. Fuel cells which are used hydrogen as a fuel are the most important area of this energy. Basic principles of the fuel cell are need to know for developed the fuel cell 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 reached a high development status. The PEM fuel cell has attracted a great deal of attention as a potential power source for automobile and stationary applications due to its low temperature of operation, high power density and high energy conversion efficiency. Mathematical models and simulations are needed as tools for design and optimization of fuel cells, stacks, and fuel cell power systems. Recently, numerical modeling and computer simulation have 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 are investigated. 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 the PEM fuel cell system. The fuel cell system model consists of the dynamics of reactant flow, fuel cell model and power conditioning unit. Also characteristics and efficiencies of a PEM fuel cell system are obtained by experiments. Simulation and experimental results are presented in this paper. The analyses of grid connected or stand alone applications of PEM fuel cell generator system can be achieved with this dynamic simulation model.