Energy management and control strategies for proton exchange membrane fuel cells in transportation
Pem yakıt hücreli taşımacılık sistemlerinde enerji yönetimi ve kontrol stratejilerinin optimizasyonu
- Tez No: 981036
- Danışmanlar: PROF. DR. ZİYA YAMAN ARKUN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücreleri (PEMFCs), özellikle ulaşım uygulamalarında temiz enerji dönüşümü için umut vadeden bir teknolojidir. Ancak, verimli işletimleri; su ve ısı yönetimi, bozulma altındaki güç dağılımı ve hibrit enerji sistemlerinin kontrolü gibi bir dizi zorluğun üstesinden gelmeyi gerektirir. Bu tez, giriş ve sonuç bölümleri dahil olmak üzere beş bölümden oluşmakta olup, PEMFC sistem optimizasyonunun temel üç yönünü ele alan üç ana teknik bölüm içermektedir. İlk teknik bölümde, PEMFC yığınlarında su ve ısı yönetimi incelenmiş ve gözetimli Model Öngörücü Kontrolcü (MPC) ile yerel PID nem kontrolcülerin entegre edildiği yenilikçi bir kontrol çerçevesi önerilmiştir. Uygun Nem Değerleri Grafikleri (FHP) kavramı tanıtılarak, anot ve katot göreceli nemleri için işletme sınırları tanımlanmış, böylece su dengesi ve sıcaklık kontrolünde dayanıklı bir yaklaşım sağlanmıştır. Simülasyon sonuçları, istenen referansların başarılı şekilde takip edildiğini, dış bozulmalara karşı dirençli ve yakıt hücresi yaşlanmasına rağmen model belirsizliklerine karşı dayanıklı olduğunu göstermiştir. İkinci bölümde ise, zamanla değişen elektron transfer katsayısı RLS-Kalman filtresiyle gerçek zamanlı olarak tahmin edilerek yakıt hücresi yığınının bozulma etkileri dikkate alınarak, iki PEMFC yığını arasında güç paylaşımını optimize eden gerçek zamanlı bir strateji geliştirilmiştir. Hidrojen geçişi etkileri de modele dahil edilerek verimlilik ve hidrojen tüketimi optimize edilmiş, geleneksel eşit dağıtım ve zincirleme dağıtım stratejilerinden üstün performans elde edilmiştir. Bu çerçeve, çoklu yığınlar ve farklı amaç fonksiyonları için uyarlanabilirliği simülasyonlarla doğrulanmıştır. Üçüncü teknik bölümde, birden fazla PEMFC yığını ve batarya entegre edilen Yakıt Hücreli Hibrit Elektrikli Araçlar (FCHEVs) için enerji yönetimi ele alınmıştır. İki katmanlı hiyerarşik bir kontrol şeması sunulmuş; yavaş yakıt hücresi sistemi ile hızlı batarya arasındaki güç dağılımını gerçekleştiren çift hızlı ekonomik MPC ve bozulmayı göz önünde bulunduran yığın güç dağılımı kontrolcüsü geliştirilmiştir. Simülasyonlar, önerilen yöntemin karşılaştırmalı stratejilere kıyasla hidrojen tüketimini önemli ölçüde azalttığını göstermiştir. Tez boyunca sunulan bulgular, PEMFC sistem kontrolü ve optimizasyonu alanında mevcut durumu ileriye taşıyarak, endüstriyel ve ulaşım sektörlerinde sürdürülebilir ve verimli yakıt hücresi uygulamalarını desteklemektedir.
Özet (Çeviri)
Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) are a promising technology for clean energy conversion, particularly in transportation applications, but their efficient operation requires addressing multiple challenges including water and thermal management, power allocation under degradation, and hybrid energy system control. This thesis is organized into five chapters, including an introduction and conclusion, with three core chapters focusing on key aspects of PEMFC system optimization. The first technical chapter investigates water and thermal management in PEMFC stacks, proposing a novel control framework that integrates a supervisory Model Predictive Controller (MPC) with local PID controllers for humidity regulation. Introducing the concept of Feasible Humidity Plots (FHP), this approach defines operational bounds for anode and cathode relative humidities, enabling robust water balance and temperature control. Simulation results demonstrate effective setpoint tracking and disturbance rejection, with resilience to model uncertainties and fuel cell aging. Building on this foundation, the second chapter develops a real-time optimization strategy for power sharing between two PEMFC stacks, accounting for degradation effects characterized by a time-varying electron transfer coefficient estimated via RLS-Kalman filtering. Incorporating hydrogen crossover impacts, the proposed method optimizes efficiency and hydrogen consumption, outperforming conventional equal distribution and daisy chain strategies. The framework's adaptability to multiple stacks and objective functions is validated through extensive simulations. The third core chapter addresses energy management in Fuel Cell Hybrid Electric Vehicles (FCHEVs), integrating multiple PEMFC stacks with a battery. A two-layer hierarchical control scheme is introduced, combining a Dual-Rate Economic MPC for splitting power between the slow fuel cell system and fast battery, with a secondary optimizer for degradation-aware stack power allocation. Simulation results confirm significant reductions in hydrogen consumption compared to benchmark strategies. Collectively, the results presented throughout the thesis advance the state-of-the-art in PEMFC system control and optimization, promoting sustainable and efficient fuel cell applications in both industrial and transportation sectors.
Benzer Tezler
- Şebekeden bağımsız rüzgâr, güneş ve hidrojen kaynaklı hibrit enerji sisteminin analizi
Analysis of a stand-alone wind-solar and hydrogen hybrid power system
ERKAN DURSUN
Doktora
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiElektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. OSMAN KILIÇ
DOÇ. DR. HALUK GÖRGÜN
- Dört pervaneli bir mini-İHA'nın hibrit PEMFC/batarya tasarımıyla uçuş performansının arttırılması
Enhancing the flight performance of a quadcopter mini-UAV with ahybrid PEMFC/battery design
MURAT KAYAOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFırat ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SENCER ÜNAL
- Pem yakıt pili ile beslenen elektrikli hibrit bir taşıtın modellemesi ve enerji yönetim analizi
Modelling and energy management analysis of an electric hybrid vehicle powered by a pem fuel cell
NURETTİN MERT BOYACIOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiBurdur Mehmet Akif Ersoy ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET UYUMAZ
- İnsansız hava araçları için batarya-yakıt hücresi hibrit enerji yönetim sisteminin geliştirilmesi
Development of a battery-fuel cell hybrid energy management system for unmanned aerial vehicles
BARAN KUL
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- Bazı esterlerin kinetik incelenmesi ve termodinamik parametrelerin belirlenmesi
Kinetic study and detesmination of thermodnamic parameters of some esters
İBRAHİM TAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Kimya MühendisliğiUludağ ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA CEBE