Ανάλυση λειτουργίας κυψελών καυσίμου και μοντελοποίηση για στατικές εφαρμογές

Abstract

Μια σημαντική εφαρμογή των συστημάτων κυψελών καυσίμου είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για στατικές εφαρμογές με αποκεντρωμένο τρόπο. Σε αυτές τις εφαρμογές είναι επίσης δυνατόν να χρησιμοποιήσει κάποια από την απορριπτόμενη θερμότητα από το σύστημα κυψελών καυσίμου για συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού. Στην πάρουσα διπλωματική, πρώτα παρουσιάζουμε μία επισκόπηση στην σημερινή κατάσταση στον κλάδο της ενέργειας που όσο και περισσότερο ψάχνει νεές τεχνολογίας για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας με ένα οικονομικό και αποδοτικό τρόπο δείχνοντας την κυψέλη καυσίμου ως μία εναλλακτική πηγή ενέργειας. Εν συνέχεια, εκθέτει μία σύντομη ιστορική αναδρομή ξεκινώντας από τον μοντέλο του Willian Groove από το 1839 μέχρι τις πρόσφετες εφαρμογές. Παρουσιάζουμε την αρχή λειτουργίας μίας απλής κυψέλης καυσίμου, τα κατασκευαστικά στοιχεία , τα μέρη συστήματος και εφαρμογές της κυψέλης καυσίμου. Ακολούθως, αναφέρουμε συγκεκριμένα όλους τους τύπους κυψέλων καυσίμου όπως και η αλκαλική κυψέλη καυσίμου (AFC), κυψελή καυσίμου πολυμερών ηλεκτρολυτών (PEMFC), κυψέλη καυσίμου άμεση μεθανόλης (DMFC), κυψέλη καυσίμου τήγματος ανθρακικών αλάτων(MCFC), κυψελή καυσίμου φωσφορικού οξέος(PAFC), καθώς και κυψελή καυσίμου στερεών οξειδίων (SOFC). Στο κεφάλαιο 4, παρουσιάζουμε την χρήση κυψέλης καυσίμου για στατικές εφαρμογές, πιο συγκεκριμένα την χρήση για κατανεμημένη παραγωγή και για συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. Στο κεφάλαιο 5, δίνονται μαθηματικό μοντέλο για μία κυψέλη καυσίμου το οποίο χρησιμοποιήσαμε για να προσωμοιώνουμε την λειτουργία και να αναλύουμε την συμπεριφορά για στατικές εφαρμογές. Επίσης, παρουσιάζεται ένα μπλοκ διάγραμμα στην πλαταφόρμα SIMULINK/MATLAB.

An important application of fuel cell systems is to produce electricity for stationary applications in a decentralized manner. In these applications it is also possible to use some of the waste heat from the fuel cell system for cogeneration of heat and power. In this thesis, first we present an overview of the current situation in the energy sector which is looking more and more for new technologies to produce electricity with an economical and efficient manner showing the fuel cell as an alternative energy source. Follow, we show an brief history starting from the model Willian Groove from 1839 until recent applications. Also, we demonstrate the principle of a single fuel cell components system and applications of the fuel cell. Subsequently, specifically we mention all types of fuel cells as the alkaline fuel cell (AFC), polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cell (DMFC), fuel cell molten carbonate (MCFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC ) and solid oxide fuel cells (SOFC). In chapter 4, we present the use of fuel cell for stationary applications, more specifically the use for distributed generation and combined heat and power. In chapter 5, are given mathematical model for a fuel cell which was used to simulate the operation and analyze the behavior for static applications. Also shows a block diagram in the Plataforma SIMULINK / MATLAB.