Μοντελοποίηση, Υπολογιστική Ανάλυση και Αυτόματη Ρύθμιση στην Δυναμική Κυψελών Καυσίμου Πολυμερικών Ηλεκτρολυτικών Μεμβρανών (PEMFC)

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η υπολογιστική ανάλυση ενός μοντέλου κυψελών καυσίμου (STR-PEMFC) και η αυτόματη ρύθμιση της δυναμικής μεταβλητής του συστήματος. Οι κυψέλες καυσίμου εκτιμάται ότι θα διαδραματίσουν πρωταγωνιστικό ρόλο στον ενεργειακό τομέα της πράσινης ανάπτυξης προς την οποία στρέφεται η παγκόσμια ερευνητική και ακαδημαική κοινότητα. Αρχικά, στο 1ο κεφάλαιο, γίνεται μια εισαγωγή στην ιστορική γέννηση και εξέλιξη των κυψελών καυσίμου. Ακολουθεί η παρουσίαση της αρχής λειτουργίας και των διαφόρων τύπων τους, ενώ εν συνεχεία γίνεται μια αναφορά στις πιο σημαντικές σύγχρονες εφαρμογές τους. Στην συνέχεια, στο 2ο κεφάλαιο γίνεται λεπτομερής ανάλυση της κυψέλης καυσίμου πολυμερικών ηλεκτρολυτικών μεμβρανών στα δομικά της στοιχεία. Ακολουθεί η θερμοδυναμική προσέγγιση στο πρόβλημα και η παράθεση των λόγων που προκαλούν πτώση της αποδιδόμενης τάσης. Μια σύντομη αναφορά γίνεται και στα υποσυστήματα ενός ολοκληρωμένου συστήματος συστοιχίας κυψελών καυσίμου. Στο 3ο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα βασικά "εργαλεία" για την υπολογιστική μας ανάλυση, ενώ παρουσιάζεται ένα ενδιαφέρον εισαγωγικό παράδειγμα που αφορά σε έναν αντιδραστήρα συνεχούς ανάδευσης (CSRT). Στο 4ο κεφάλαιο, γίνεται η μοντελοποίηση της κυψέλης καυσίμου τύπου STR-PEM και στην συνέχεια η υπολογιστική ανάλυση ευστάθειάς της. Αυτή περιλαμβάνει την χρονική ολοκλήρωση των εξισώσεων του μοντέλου, την εξαγωγή των διαγραμμάτων φάσεως για τις διάφορες παραμέτρους και την ανάλυση ευστάθειας. Τέλος, αναλύεται η ευστάθεια της αποδιδόμενης ισχύος απο το σύστημα. Στο 5ο κεφάλαιο, επιχειρείται η αυτόματη ρύθμιση του συστήματος STR-PEMFC προς την μετατροπή ασταθών στάσιμων καταστάσεων σε ευσταθείς, με την χρήση ενός αναλογικού ρυθμιστή.

The purpose of this thesis is the computational steady-state analysis and the automatic control to the main dynamic variable of a STR-PEM fuel cell model. Fuel cells are estimated to play an important role in the energy sector of the “green development”, which attracts the global scientific and academic research. Firstly, in chapter 1, there is an introduction to the historical view of the invention and evolution of fuel cells. Further, there is a reference of the basic principle of operation, the several types of fuel cells and the main up-to-date applications appeared. In chapter 2, a detailed analysis of a polymeric electrolyte membrane fuel cell into its partial structural components is made. In addition, the thermodynamic overview and the voltage drop reasons are presented. Lastly, there is a brief exposition of the subsystems of an integrated stack of fuel cells. In chapter 3, we display the basic “tools” of our computational analysis, whereas an interesting introductory example of a continuous stirred tank reactor is presented. In chapter 4, we model and realize the computational steady-state analysis of a certain STR-PEM fuel cell. This type of analysis involves the time integration of the equations describing our model, the extract of phase portraits and bifurcation diagrams and the stability analysis. There is also a relevant analysis of the system power output. In chapter 5, a tackle for automatic control of the STR-PEM fuel cell system to stabilize unstable steady-states is made, using a proportional controller.