PEM yakıt pili sistemleri için tasarlanan bir kompresörün termodinamik analizi

Abstract

Bu tez çalışmasında, proton değişim membranlı (PEM) yakıt pili sistemleri için hava besleme biriminin dinamik tepkisi detaylı olarak modellenmiştir. Özellikle santrifüj kompresörün dönme hızı ve kütlesel debi değişimlerine bağlı olarak değişen basınç oranı ve izentropik verim değerleri, MATLAB/Simulink ortamında iki boyutlu tablolar ve kompresör haritası üzerinden modellenmiştir. Kompresör çıkışına eklenen sabit hacim ve akış direnci blokları, yakıt pili çıkışındaki basınç değişimlerini gerçekçi biçimde yansıtacak şekilde tasarlanmıştır. PEM yakıt pillerinde hücre içi basıncın yükseltilmesi, elektrokimyasal reaksiyonun verimini artırmakta ve su yönetimi üzerinde olumlu etkiler oluşturmaktadır. Ancak yüksek basınç, aynı zamanda kompresörün enerji tüketimini artırdığından, optimum bir hava besleme stratejisi gerekmektedir. Bu dengeyi doğru kurmak için oluşturulan model, izentropik sıkıştırma denklemleriyle desteklenmiş ve hız–debi–basınç üçgenindeki dinamik ilişkiyi göz önüne almıştır. Simülasyon sonuçları, özellikle yüksek hızlarda basınç artışının doygunluğa ulaştığını ve izentropik verim değerlerinin %65 ile %77 arasında değiştiğini göstermektedir ve bu sonuçların literatürdeki değerlerle uyumlu olduğu belirlenmiştir. Modelleme çalışması sayesinde, kompresörün dinamik koşullarda gösterdiği tepki daha iyi anlaşılmış ve hava besleme sisteminin kontrol stratejilerine yönelik somut çıktılar elde edilmiştir.In this thesis, the dynamic response of the air supply unit in proton exchange membrane (PEM) fuel cell systems has been comprehensively modeled. Specifically, the variations in pressure ratio and isentropic efficiency as a function of the rotational speed and mass flow rate of a centrifugal compressor were implemented in MATLAB/Simulink using two-dimensional lookup tables and manufacturer-based compressor maps. To enhance physical realism, fixed-volume and flow resistance blocks were incorporated at the compressor outlet to simulate pressure variations at the fuel cell inlet. In PEM fuel cells, increasing the internal cell pressure enhances the efficiency of the electrochemical reaction and contributes positively to water management. However, this also leads to a rise in compressor power consumption, making the development of an optimal air supply strategy essential. The model developed for this purpose was supported by isentropic compression equations and constructed to account for the dynamic interaction between speed, flow rate, and pressure. Simulation results revealed that at higher rotational speeds, the pressure increase tended to saturate, while isentropic efficiency varied between 65% and 77%, which aligns well with literature values. Through this modeling approach, the transient behavior of the compressor under dynamic conditions has been better understood, and concrete insights have been gained for the development of advanced control strategies in fuel cell air supply systems.