Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη ενός υβριδικού συστήματος, το οποίο αποτελείται από μια κυψέλη καυσίμου και μπαταρίες, για την τροφοδοσία ενός μεταβαλλόμενου AC φορτίου. Επίσης, μελετώνται οι διατάξεις των ηλεκτρονικών ισχύος που απαιτούνται για να γίνει εφικτή η διασύνδεση της κυψέλης καυσίμου και των μπαταριών με το AC φορτίο. Αρχικά, γίνεται αναφορά στα βασικά χαρακτηριστικά του υδρογόνου και τους λογους που οδήγησαν στην αύξηση της χρήσης του τα τελευταία κυρίως χρόνια. Ακόμα, παρουσιάζονται οι διάφορες μέθοδοι παράγωγης του υδρογόνου, το οποίο αποτελεί το καύσιμο των περισοστέρων τύπων κυψελών καυσίμου. Στη συνέχεια, ακολουθεί η δομή και η ανάλυση του τρόπου λειτουργίας των διάφορων τύπων κυψελών καυσίμου. Έπειτα, παρουσιάζονται συνοπτικά οι διακοπτικοί μετατροπείς συνεχούς ρεύματος, διατάξεις των ηλεκτρονικών ισχύος, τις οποίες χρειαζόμαστε για την εξομάλυνση και τη σταθεροποίηση σε μια επιθυμητή τιμή της τάσης εξόδου των κυψελών καυσίμου, καθώς και τη μετατροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη. Ακόμα, γίνεται περιγραφή της πειραματικής διάταξης κυψελών καυσίμου 1.2kW της εταιρίας Ballard Power Systems. Η διάταξη αυτή χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη μετρήσεων και την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη λειτουργία μίας κυψέλης καυσίμου τύπου PEM, τόσο στη μόνιμη όσο και τη μεταβατική κατάσταση. Επίσης, αναπτύσσεται ένα μοντέλο του υβριδικού συστήματος στο Simulink, όπου προσομοιώνονται η κυψέλη καυσίμου 1.2kW της εταιρίας Nexa και οι μπαταρίες WP18-12I της εταιρίας LONG, ως πηγές τάσης. Ως μεταβλητό AC φορτίο χρησιμοποιείται μια θερμάστρα αλογόνου, με κατανάλωση ισχύος από 450W έως 1800W. Μελετάται η συμπεριφορά τόσο της κυψέλης καυσίμου όσο και των μπαταριών στις διάφορες αυξομειώσεις του φορτίου, καθώς και η απόκριση των μετατροπέων συνεχούς ρεύματος και του αντιστροφέα. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση στο Simulink. Από τα αποτελέσματα εξάγονται συμπεράσματα για τη λειτουργία του μοντέλου και προκύπτουν πιθανές προτάσεις για τη βελτίωση της απόδοσης του συστήματος. / The purpose of the present thesis is the study of a hybrid system, that consists of a fuel cell and batteries, in order to supply a changing AC load with power. The power electronics, that are required to make possible the interconnection of the fuel cell and the batteries with the AC load, are also being studied. To begin with, there is a reference to the essential features of hydrogen and the reasons that led to its increased use, mainly in recent years. In addition to this, the different methods for hydrogen production are being displayed. Hydrogen is the fuel for most fuel cell types. Moreover, the structure and the analysis on how the various types of fuel cells operate is considered. Furthermore, there is a brief presentation on DC-DC converters, power electronic devices, that are necessary in order to normalize and stabilize at a desired value the output of the fuel cell and convert DC voltage into AC. What is more, there is a description of the experimental arrangement of the fuel cell 1.2kW of the Ballard Power Systems company. The aforementioned device was used for taking measurements and draw conclusions on the operation of a PEM type fuel cell, in both the permanent and the transitory state. Afterwards, a model of the hybrid system is being developed in Simulink. As far as the voltage sources are concerned, the 1.2kW fuel cell of the Ballard Power Systems company along with the batteries WP18-12I of the LONG company are being simulated. A halogen stove with power consumption varying from 450W to 1800W is being used as the variable AC load. The behavior of both the fuel cell and the batteries to the various load fluctuations is being studied, as well as the response of the DC converters and the inverter. Finally, the results obtained from the simulation in Simulink are being presented. From them, conclusions are drawn on the functioning of the model and possible proposals arise to improve the overall performance of the system.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των κυψελών καυσίμου ως εναλλακτική πηγή τάσεως. Ο λόγος για τον οποίον έχει στραφεί η έρευνα προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι αφενός η αύξηση των ενεργειακών απαιτήσεων των κοινωνιών σε συνδυασμό με τη μείωση των διαθέσιμων ορυκτών καυσίμων και αφετέρου η μόλυνση του περιβάλλοντος που έχει προέλθει από ρύπους όπως είναι το διοξείδιο του άνθρακα. Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σήμερα είναι η ηλιακή, η αιολική και η υδροηλεκτρική. Τα τελευταία χρόνια αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον και η τεχνολογία του υδρογόνου λόγω κάποιων πλεονεκτημάτων που διαθέτει, όπως η μεγάλη ικανότητα παραγωγής ενέργειας ανά μονάδα βάρους (σχεδόν τριπλάσια από την αντίστοιχη ικανότητα παραγωγής ενέργειας της βενζίνης), η υψηλή αποδοτικότητα και αξιοπιστία καθώς και οι μηδενικές επιπτώσεις για το περιβάλλον. Βέβαια, υπάρχουν και αρκετά μειονεκτήματα που σχετίζονται με τη σχετικά πρόσφατη στροφή της έρευνας προς αυτή την κατεύθυνση (ακριβές διατάξεις παραγωγής και κατανάλωσης υδρογόνου , μη εγκατεστημένο δίκτυο διανομής και δυσκολίες στην αποθήκευση του υδρογόνου). Στη συνέχεια αναλύεται το θεωρητικό υπόβαθρο της τεχνολογίας αυτής και παρουσιάζονται μέθοδοι βελτίωσης της απόδοσής της. Αρχικά, γίνεται μια μικρή ιστορική αναδρομή σε αυτή τη τεχνολογία προκειμένου να γίνει σαφές πως οδηγηθήκαμε στη σκέψη παραγωγής ενέργειας μέσω της αντίδρασης του υδρογόνου και του οξυγόνου. Αναλύονται τα πλεονεκτήματα που έχουν οι κυψέλες καυσίμου έναντι τόσο των μηχανών εσωτερικής καύσης όσο και έναντι των μπαταριών και παρουσιάζονται όλοι οι εμπορικά διαθέσιμοι τύποι κελιών καυσίμου. Ιδιαίτερη έμφαση στη διπλωματική εργασία δίνεται στη δομή και στην αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου τύπου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων λόγω της ευελιξίας και της ποικιλίας των εφαρμογών που μπορούν να υποστηρίξουν. Οι κυψέλες καυσίμου αυτού του είδους παρουσιάζουν χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας, χαμηλούς χρόνους εκκίνησης, γρήγορη απόκριση στις μεταβολές φορτίου και μεγάλη ανθεκτικότητα. Εν συνεχεία παρουσιάζεται η απόδειξη, από την οποία προκύπτει η μέγιστη θεωρητική τάση(1.229V) ενός κελιού καυσίμου, οι μηχανισμοί που προκαλούν πτώση τάσης από τη μέγιστη θεωρητική τιμή καθώς και το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα. Η προσομοίωση και μοντελοποίηση των κυψελών, που ακολουθεί, κατέχει σημαντική θέση στην ανάλυση και στην πρόβλεψη της ηλεκτρικής συμπεριφοράς τους καθώς αυτές ενσωματώνονται σε συστήματα ισχύος. Παρουσιάζονται διαγράμματα που προέκυψαν από τη μοντελοποίηση και φανερώνουν πως εξαρτάται η τάση του κελιού, οι απώλειες ενεργοποίησης, οι ωμικές απώλειες και η ισχύς εξόδου συναρτήσει τόσο της πυκνότητας ρεύματος όσο και της θερμοκρασίας. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στις 3 διαφορετικές περιοχές της χαρακτηριστικής τάσεως-ρεύματος. Μέσα από τις προκύπτουσες καμπύλες γίνεται σαφές το εξής. Οι απώλειες ενεργοποίησης έχουν επίδραση μόνο στις χαμηλές πυκνότητες ρεύματος και για την θερμοκρασία λειτουργίας είναι της τάξεως των 0.48 V. Πράγματι, με το σχεδιασθέν μοντέλο βλέπουμε ότι η τάση του κελιού για χαμηλές πυκνότητες ρεύματος είναι της τάξεως του 0.7 V, δηλαδή η μέγιστη θεωρητική τάση μειούμενη κατά τις απώλειες ενεργοποίησης. Οι ωμικές απώλειες έχουν επίδραση για μέσες πυκνότητες ρεύματος και προσομοιώνονται με μια ωμική αντίσταση, η οποία περιλαμβάνει την αντίσταση των ηλεκτροδίων στην κίνηση των ηλεκτρονίων, την αντίσταση της μεμβράνης στην κίνηση των κατιόντων και την αντίσταση που παρουσιάζεται στην επιφάνεια επαφής ηλεκτροδίου και μεμβράνης. Η εξάρτηση των ωμικών απωλειών συναρτήσει της πυκνότητας ρεύματος είναι γραμμική, αυξάνονται συναρτήσει της θερμοκρασίας και επίσης και με την αύξηση του πάχους του ηλεκτρολύτη, όπως προέκυψαν από τη μοντελοποίηση της κυψέλης. Λόγω του ότι η προκύπτουσα τάση είναι της τάξης του 0.5-1 V, γίνεται αναγκαία η σύνδεση πολλών κελιών σε σειρά. Ο πιο διαδεδομένος τρόπος, για να μειωθούν οι απώλειες στις συνδέσεις, είναι με τη χρήση διπολικών πλακών. Ένα ενδιαφέρον ζήτημα που εξετάζεται είναι η δυναμική απόκριση των μοντέλων αυτών, η οποία προσομοιώνεται ηλεκτρονικά. Η μελέτη που έχει γίνει αποσκοπεί στη βελτίωση της απόδοσης, στη ταχύτερη απόκριση στις δυναμικές μεταβολές και κυρίως στον τρόπο με τον οποίον θα μπορέσει μια διάταξη κυψέλης καυσίμου να τροφοδοτήσει πραγματικά φορτία, τα οποία απαιτούν σταθερή τάση. Οι κυψέλες δίνουν συνεχή τάση μη καθορισμένης όμως τιμής. Έτσι, προκειμένου να συνδεθεί ένα φορτίο πρέπει αυτή η μη καθορισμένη τάση εξόδου να ενισχυθεί και να κρατηθεί σταθερή σε μία επιθυμητή τιμή. Η ενίσχυση επιτυγχάνεται με τη τοποθέτηση ενός μετατροπέα τύπου boost στην έξοδο της κυψέλης. Η σταθεροποίηση επιτυγχάνεται μέσω ενός κυκλώματος ανατροφοδότησης, το οποίο εντοπίζει τη διαφορά ανάμεσα στη τάση εξόδου του μετατροπέα και στη τάση αναφοράς και καθορίζει αναλόγως τη παλμοδότηση του ημιαγωγικού στοιχείου του μετατροπέα. Τα στοιχεία του μετατροπέα επιλέγονται, ώστε να λειτουργεί σε κατάσταση συνεχούς αγωγής. Αναλύεται η λειτουργία του μετατροπέα ανύψωσης τάσης και εξηγείται πλήρως ο τρόπος με τον οποίον σχεδιάστηκε η ανατροφοδότηση στον μετατροπέα. Παρατίθεται η απόκριση του συστήματός μας, όταν στην έξοδο έχουμε καθαρά ωμικό, επαγωγικό και χωρητικό φορτίο. Παρατηρείται ότι σε κάθε περίπτωση ο μετατροπέας διατηρεί σταθερή τη τιμή της τάσης στην επιθυμητή τιμή. Επίσης, παρατίθεται η απόκριση του μετατροπέα σε φορτίο που σχεδιάστηκε, έτσι ώστε να μεταβάλλεται κάθε 3 δευτερόλεπτα. Και σε αυτήν την περίπτωση, ο μετατροπέας μετά το πέρας των μεταβατικών φαινομένων καταφέρνει να διατηρήσει σταθερή τη τιμή της τάσεως εξόδου. Στο τελευταίο μέρος της διπλωματικής εργασίας, παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία που πραγματοποιήθηκε σε μια συστοιχία κυψέλων καυσίμου τύπου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων ισχύος 1.2kW. Περιγράφεται αναλυτικά ο τρόπος με τον οποίον λειτουργεί η χρησιμοποιηθείσα κυψέλη υδρογόνου. Παρουσιάζονται οι διαδικασίες που απαιτούνται για την έναρξη και τον τερματισμό της, οι επιμέρους μονάδες που απαιτούνται για την τροφοδότηση της κυψέλης με τα αντιδρώντα καθώς και οι μηχανισμοί ασφαλείας που υπάρχουν προκειμένου να αποτραπούν επικίνδυνες καταστάσεις για την ομαλή λειτουργία της κυψέλης. Επίσης αναλύονται τα βήματα που ακολουθήθηκαν για να προκύψουν οι χαρακτηριστικές τάσεως-ρεύματος και ισχύος-ρεύματος. Σε κοινά διαγράμματα συγκρίνονται με τις αντίστοιχες καμπύλες που αναφέρει το φυλλάδιο των κατασκευαστών. Σε άλλο πείραμα παρουσιάζεται η εξάρτηση της τάσεως της κυψέλης από τη θερμοκρασία και επιβεβαιώνεται η θεωρία, η οποία αναφέρει μείωση της τάσεως εξόδου, καθώς αυξάνει η θερμοκρασία. Η μεταβολή της τάσεως παρατηρείται εντονότερα στην ωμική περιοχή, εκεί όπου επικρατούν οι ωμικές απώλειες και οι οποίες είναι ανάλογες με την πυκνότητα του ρεύματος. Ακολούθως, αναλύεται η μέθοδος βάσει της οποίας μπορεί να υπολογιστεί η απόδοση της κυψέλης καυσίμου. Πρόκειται για περίπλοκο μηχανισμό, αφού η είσοδος του συστήματος είναι χημική ενέργεια και έξοδος ηλεκτρική ενέργεια. Με βάση αυτό το μηχανισμό, παρουσιάζεται η σχέση της απόδοσης με το ρεύμα και τη θερμοκρασία, όπως προέκυψε από τη πειραματική διαδικασία. Τέλος, παρουσιάζονται μέσω διαγράμματος οι χρόνοι που χρειάζεται η τάση για να σταθεροποιηθεί κατά τη σύνδεση και την αποσύνδεση του φορτίου και αναλύεται ο μηχανισμός εκείνος, ο οποίος συμβάλλει στον μη μηδενικό χρόνο απόκρισης των κυψελών καυσίμου. / The aim of the present essay is the study of fuel cells as an alternative source of voltage. The reason why the research has turned to the renewable sources of energy is not only the increase of energy requirements of societies but also the reduction of available mining fuels and the air pollution. The more widely used renewable sources of energy today are solar and hydroelectric. The last years, the technology of hydrogen acquires particular interesting, because of certain advantages such as the big faculty of production of energy per unit of weight, the high efficiency and reliability as well as the null repercussions for the environment. Of course, there are also disadvantages that are related to the recent turn of research to this direction (expensive provisions of production and consumption of hydrogen, not installed network of distribution and difficulties in the storage of hydrogen). The analysis includes apart from the theoretical background of this technology and presentation of methods of improvement of the efficiency. Particular accent in this essay is given in the operation of fuel cells of type of membrane exchange protons due to the flexibility and the variety of applications that they can support. This type of cells operates at low temperature, responds fast in the start and in load changes and has high resistibility. Then, the structure and the operation of a PEM fuel cell are being represented. It is represented the background for the highest theoretical cell voltage, the reasons why the voltage does not remain constant at this value of voltage and an equivalent electrical circuit. The simulation and modeling of cells, that follows, plays important role in the analysis and in the forecast of their electric behavior, as they are incorporated in power systems. Firstly, the history behind this technology is presented. Advantages and disadvantages of fuel cells and all types of available fuel cells are presented. In this essay, the structure of a PEM Fuel cell and the way it operates is analyzed. This type of fuel cell operates at low temperatures and as a result, it starts quickly and responds fast at load changes. After this, it is being proved that the maximum theoretical voltage of o stack is 1.229 V. The reasons why this value of voltage is inevitable and the equivalent electrical circuit are also being analyzed. Diagrams, that resulted from the modeling and show how cell voltage, activation losses and ohmic losses are depended on current density and temperature, are presented. The activation losses have impact only on low current densities. Their value is around 0.48 V at the operating temperature of 650C. The diagram that presents the polarization curve evaluates the previous sentence, as the voltage at open circuit is about 0.7V (1.229V minus the activation losses). The ohmic losses have impact on current densities between 0.01 and 0.1 A/cm2. They are being modeled by an ohmic resistance, which includes the resistance of the electrodes during the flow of the electrons and the resistance of the membrane during the flow of the ions. The ohmic losses are proportional to the current density and increase, as the temperature increases. These came out from a simulation in Matlab. Because the voltage is around 0.5-1 V, the connection of many cells in series becomes necessary. In order to reduce the losses in the connections, bipolar plates are used. Particular report at the simulation becomes in the dynamic response of this model. The study aims in the improvement of efficiency, in the faster response in the dynamic changes and mainly in the way that the stack has to be connected in order to supply energy in real loads that require constant voltage. The stack produces a not determined dc voltage. Thus, this undetermined voltage should be strengthened and kept constant in a desirable value. The increase is achieved with the placement of a boost converter in the output of stack. The stabilization is achieved via a circuit of feedback, which locates the difference between the output voltage of the converter and the reference value and determines the duty cycle. The parameters of the converter are chosen in order to have continuous conduction mode. The operation of the converter is analyzed and the way the feedback operates is totally explained. Diagrams that show the response of the converter, when the load is resistance, an inductor and a capacitor are represented. In every situation, the voltage remains constant at the value of reference voltage. The response in a load that changes every 3 seconds is also presented. The voltage also remains constant at 80V. Finally, the experimental process, that took place in a fuel cell of type of membrane exchange protons 1,2kW, is presented. The way this stack operates is analytically described. The processes that are required for the beginning and the finish, the individual units that are required for the feed-in of oxygen and hydrogen and the mechanisms of safety that exist in order to avoid dangerous situations are presented. Also, the characteristics of voltage and power as function of current are presented. In common diagrams, they are being compared with the equivalent diagrams that are presented by the manufacturer. The dependence of stack voltage on the temperature is being experimented and is confirmed with the theory, which reports reduction of voltage, as the temperature increases. This dependence becomes stronger at the ohmic region, because the ohmic losses are proportional to current density. Moreover, the method we can follow in order to calculate the efficiency of the stack is analyzed. It is a complex mechanism, because the entry of the system is chemical energy and the exit is electrical energy. With base this mechanism, the relationship of efficiency with the current and the temperature is presented, as it resulted from the experimental process. Finally, the stabilization times during the connection and disconnection of a load are presented via a diagram and the mechanism, which contributes in the not null time of response of stack, is analyzed.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και την κατασκεύη μιας αυτοματοποιημένης διάταξης επίστρωσης ηλεκτροδίου σε στερεό ηλεκτρολύτη για εφαρμογή σε κυψέλες καυσίμου.Η εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σε αυτό το πλαίσιο,σχεδιάστηκε μια εργαλειομηχανή τύπου CNC(Computer Numerical Control),υψηλής ακρίβειας,ικανή να εκτελέσει κινήσεις σε τρείς άξονες,ελεγχόμενη από μικροελεγκτή και οδηγούμενη από βηματικούς κινητήρες. Αν και ο απώτερος στόχος της εργασίας είναι η κατασκευή της διάταξης που επιτελεί το επιθυμητό έργο,προηγήθηκε εκτενής θεωρητική μελέτη και ανάλυση όλων των χαρακτηριστικών και παραγόντων του συστήματος. Αρχικά,γίνεται αναφορά στις κυψέλες καυσίμου,στους διάφορους τύπους της συγκεκριμένης τεχνολογίας καθώς και στις εφαρμογές που αυτή ενσωματώνεται. Οι κυψέλες καυσίμου,ως αντικείμενο επιστημονικής μελέτης αλλά και ως εμπορευματικό προϊόν παρουσιάζει εξαιρετικό ενδιαφέρον και έχει απασχολήσει σε μεγάλο βαθμό την επιστημονική κοινότητα τα τελευταία χρόνια λόγω της μεγάλης αποδοτικότητάς τους στην παραγωγή ενέργειας αλλά και της φιλικής προς το περιβάλλον λειτουργίας τους. Εν συνεχεία,αναλύεται ο όρος αριθμητικός έλεγχος και αναλύονται οι εφαρμογές στις οποίες αυτός χρησιμοποιείται ενώ παράλληλα γίνεται αναφορά στο μηχανολογικό τμήμα της κατασκευής,στα υλικά και στο σχεδιασμό τέτοιων διατάξεων. Σημαντικό μέρος της εργασίας αφιερώθηκε στους βηματικούς κινητήρες που επελέχθησαν ως κινητήρες προώσεως της εργαλειομηχανής.Αναλύονται τόσο οι τύποι βηματικών κινητήρων όσο και ο έλεγχος τους ενώ ακόμα παρουσιάζεται και η στατική αλλά και η δυναμική τους συμπεριφορά σε ένα σύστημα. Τον ‘’εγκέφαλο’’ της διάταξης αποτελεί ο μικροεπεξεργαστής που ενσωματώνει το πρόγραμμα λειτουργίας της εργαλειομηχανής,ο οποίος αναλύεται σε μεγάλο βαθμό ξεκινώντας από τον ορισμό του,τη φύση της λειτουργίας του και καταλήγωντας στον ειδικότερο ρόλο που διαδραματίζει στο κύκλωμα ελέγχου της διάταξης. Ακόμα, περιγράφεται η αρχή λειτουργίας και η κατασκευαστική λογική της πλακέτας ελέγχου και οδήγησης του συστήματος.Τα συμπεράσματα της εργασίας και οι μελλοντικές επεκτάσεις που πιθανώς η διάταξη επιδέχεται παρουσιάζονται ως επίλογος. / The purpose of this thesis is the construction of an automated device that coats electrodes in to solid electrolyte for application in fuel cells. The project was conducted in Electromechanical Energy Conversion Laboratory, at Department of Electrical and Computer Engineering of the University of Patras. In this context, a CNC (Computerized Numerical Control) machine, capable of carrying out movements in three axes, controlled by stepper motors was designed. Although the ultimate purpose is the construction of such a device, an extensive theoretical study and analysis of all parameters and characteristics of the system was preceded. Initially, a reference to fuel cells is being made, describing the different types of the technology and the applications which fuel cells are incorporated. In general, fuel cell technology as an object of theoretical study and as a commodity product as well, is considered to be of high scientific interest, due to its high efficiency and it’s environmental friendly operation. In addition, a general definition of numerical control is being given relatively to its applications, providing a special interest in the mechanical design of systems that incorporate this particular method of control. A significant part of the project was consumed by the analysis of stepper motor behavior, both static and dynamic. Different types of stepper motors are being described along with several types of control schemes. Extensive description of the system’s incorporated micro-controller has been made, from its general description down to its specialized role to the system. Finally, the basic principles of operation are being described, given a special interest in to the board of control and drive of the system. The evaluation of the project’s status as well it’s future development were given as final conclusions.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο μελέτης την ανάπτυξη ενός μοντέλου κυψέλης καυσίμου (Fuel Cell), το οποίο θα αποτελέσει το βασικό στοιχείο της διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας από ένα σταθμό με τέτοιες κυψέλες που θα τροφοδοτεί ένα μικροδίκτυο. Η μελέτη θα περιλαμβάνει όλα εκείνα τα στοιχεία που είναι απαραίτητα για τη σύνδεση σε ένα δίκτυο. Συγκεκριμένα, θα περιλαμβάνει τον ανυψωτή τάσης (boost converter) ο οποίος είναι υπεύθυνος για την ανύψωση της συνεχούς τάσης εξόδου της στοίβας κυψελών καυσίμου, τον αντιστροφέα (inverter) ο οποίος θα μετατρέπει την συνεχή τάση εξόδου του ανυψωτή σε εναλλασσόμενη με το επιθυμητό πλάτος και συχνότητα, και τέλος θα περιλαμβάνει το σύστημα ελέγχου το οποίο θα προσπαθεί να ικανοποιεί τις ενεργειακές ανάγκες κάθε φορτίου ρυθμίζοντας κατάλληλα τις παραμέτρους των προηγούμενων μερών. / The currnet diploma thesis deal with the development of a PEM fuel cell, which will be the basic component of a distributed power system connected to a microgrid. This study will contain all the necessary components for a connection to the main grid. There will be boost converter to boost the output voltage of the fuel cell stack, an inverter to convert the dc voltage to ac-voltage with specific voltage amplitude and frequency. Moreover, there will be a control system which will be able to fulfill all the power requirements of the loads, regulating the parameters of the previous components.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή. Η εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη και η κατασκευή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, ο οποίος θα αποτελέσει μέρος ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος με πηγή ενέργειας μία συσκευή κυψελών καυσίμου (fuel cells). Συγκεκριμένα πρόκειται για ένα μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή, με διαδοχική αγωγή δύο παράλληλων κλάδων (2-channel interleaved boost converter). Η είσοδος του μετατροπέα συνδέεται στην πηγή των κυψελών καυσίμου με σκοπό να ανυψώσει τη συνεχή αλλά μεταβλητή τάση που παράγει αυτή και να τη σταθεροποιήσει στα 50V. Στην έξοδο αυτού του μετατροπέα πρόκειται να συνδεθεί ένας αντιστροφέας για την οδήγηση τριφασικού σύγχρονου κινητήρα με μόνιμους μαγνήτες (BLDC), ο οποίος αποτελεί αντικείμενο άλλης διπλωματικής εργασίας, που εκπονείται στο Εργαστήριο. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού χρειάστηκε θεωρητική μελέτη των διακοπτικών τροφοδοτικών συνεχούς τάσης αλλά και της πηγής κυψελών καυσίμου. Στη μελέτη βοήθησε το πρόγραμμα εξομοίωσης, με το οποίο εξομοιώθηκαν εκτός από το προαναφερθέν τελικό σύστημα και διάφορα άλλα συστήματα που αποτέλεσαν ιδέες για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Έπειτα ακολούθησε η κατασκευή της διάταξης και η διεξαγωγή πλήθους πειραματικών δοκιμών. / This diploma thesis deals with the study, design and construction of a power electronic boost converter. The work was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering of School of Engineering of University of Patras. The main purpose of this work is the analysis and construction of a power electronic converter that will be part of an electric propulsion system which has a fuel cell stack as an electrical power source. Particularly, this power electronic converter is a two channel interleaved boost converter. This converter is connected to the fuel cells in order to boost and stabilize the unregulated voltage which they produce. At the output of this converter it will be connected an electronic power inverter which will drive a brushless DC motor (BLDC). For the accomplishment of this purpose, the study of both switching power supplies and fuel cells was needed. At this analysis the system was designed at a simulation program which gave useful information about the system operation. After the system simulation the converter was constructed and the entire system was set up in order to carry out the required experiments and measurements.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας στο πρώτο μέρος της, είναι η διεξαγωγή και επεξεργασία μετρήσεων με στόχο τη μελέτη των κυψέλων υδρογόνου και την επίδραση της θερμοκρασίας στην απόδοσή τους. Στο δεύτερο μέρος, θα μελετηθεί η ανάπτυξη αυτόνομων υβριδικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας για την τροφοδότηση δύο περιοχών, με σκοπό την ανεύρεση του πιο συμφέροντος συνδυασμού ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια θεωρητική αναφορά στις κυψέλες υδρογόνου. Περιγράφονται συνοπτικά η δομή, οι κατηγορίες, τα πλεονεκτήματα, τα μειονεκτήματα μιας κυψέλης καυσίμου. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφονται τα μηχανήματα και ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις στις διάφορες συνθήκες. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι μετρήσεις με στόχο την σύγκριση των αποδόσεων σε διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας στη κυψέλη. Παρουσιάζεται επίσης η κατανάλωση καυσίμου, η θερμοκρασία και πίεση των φιαλών και η θερμοκρασία της κυψέλης με τη πάροδο του χρόνου. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται εκτεταμένη περιγραφή του προγράμματος HOMER, το οπoίο εκτελεί προσομοιώσεις υβριδικών συστημάτων παρουσιάζοντας το βέλτιστο συνδυασμό τους τεχνοοικονομικά. Στο Κεφάλαιο 5 αφού γίνεται μια αρχική αναφορά στις δύο περιοχές όπου πραγματοποιείται η μελέτη καθώς και η ενεργειακή κατανάλωση των κατοίκων, έπειτα καταγράφονται τα τεχνολoγικά στοχεία των εξαρτημάτων που χρησιμοποιήθηκαν. Ακολουθεί η εκτεταμένη περιγραφή του κάθε υβριδικού συστήματος με σχηματικές απεικονίσεις και ερμηνεία των διαγραμμάτων που προκύπτουν από τη προσομοίωση. Στο Κεφάλαιο 6 πραγματοποιείται σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τα δύο μέρη της διπλωματικής. Από το πρώτο μέρος συμπεραίνουμε ότι η επίδραση της θερμοκρασίας είναι καταλυτική τόσο στη λειτουργία όσο και στη απόδοση του συστήματος. Στο δεύτερο μέρος, επιβεβαιώθηκε ότι οι τιμές των συστημάτων που χρησιμοποιούν ΑΠΕ είναι ακόμα αρκετά υψηλές. Ιδίως οι τιμές κελιών καυσίμου και γενικότερα τις τεχνολογίας του Η2 είναι ακόμα σε αρχικά στάδια χρήσης της όποτε και είναι λογικό μέχρι να βγει σε ευρεία παραγωγή στην ελεύθερη αγορά να είναι αρκετά δαπανηρή. Οι προβλέψεις των επιστημόνων είναι αρκετά ευοίωνες για το μέλλον τόσο στην ευρύτερη χρήση των ΑΠΕ που υπάρχουν άφθονες στην καθημερινότητα μας όσο και για την μείωση του κόστους τους. Τέλος, το συμπέρασμα που προκύπτει από τη παρούσα διπλωματική είναι ότι το μέλλον θα ανήκει στην τεχνολογία του υδρογόνου, αφού ξεπεραστούν βέβαια πρώτα κάποια εμπόδια οικονομικής φύσεως. / The aim of the following essay in the first part, is the conduct and elaboration of measurements aiming at the study of fuel cell and the impact of temperature on its efficiency. In the second part, it will be examined how an hybrid system with renewable energy sources can meet the electric load demands of two areas. In Chapter 1 there is a theoretical report in fuel cell technology. The structure, the operation, the types, the advantages and disadvantages of fuel cell are briefly described. In Chapter 2 experimental apparatus and the way measurements were conducted in different conditions are described. In Chapter 3 the presented measurements aim at the comparison of the efficiency of fuel cell in different temperature conditions. Furthermore, while time goes by, fuel consumption, temperature and pressure of hydrogen storage canisters are examined. In Chapter 4 the Micro Power Optimization Model HOMER is described extensively. Different hybrid systems are simulated in this program in order to find the most economical solution for our areas. In Chapter 5 is given the location of the study as well as the load going to be covered by the hybrid system. Moreover, a description of technological elements is reported too. Extensive description of each hybrid system with schematic depictions and interpretation of curves that result from the simulation follows. Finally, in Chapter 6 all the results are compared together. It is easily conceivable that temperature plays a significant role in operation and efficiency of our system. In the second part, it is obvious that hybrid systems are still costly enough. Scientists try to work on it, in order to make them affordable and exploit renewable sources to the full. Taking everything into consideration, the conclusion that derives is that the future belongs to the technology of hydrogen.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των κυψελών καυσίμου οι οποίες αποτελούν εναλλακτική πηγή τάσεως και συγκεκριμένα μια ειδικής κατηγορίας αυτών, τις λεγόμενες κυψέλες καυσίμου τύπου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων. Παρουσιάζονται οι μηχανισμοί που προκαλούν πτώση τάσεως και περιγράφονται οι θερμοδυναμικοί νόμοι που διέπουν τη λειτουργία της κυψέλης έτσι ώστε να προκύψουν οι εξίσωσεις εκέινες οι οποίες αναπαριστούν την λειτουργία της κυψέλης. Επίσης, παρουσιάζονται τα επιμέρους συστήματα που χρειάζονται για την τροφοδότηση του φορτίου και αναφέρονται διάφορα στοιχεία περί της τεχνολογίας υδρογόνου όσον αφορά τρόπους παραγωγής και αποθήκευσης καθώς και πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα αυτού ως καύσιμο έναντι των συμβατικών καυσίμων εξαιτίας του γεγονότος ότι το υδρογόνο αποτελεί το κύριο καύσιμο για τις προαναφερθείσες συστοιχίες. Τα συστήματα κυψελών καυσίμου αναμένεται να διαδραματίσουν σπουδαίο ρόλο στην παραγωγή ισχύος στο μέλλον λόγω της αποδοτικότητας, της καθαρότητας και της αξιοπιστίας τους και λόγω φυσικά της εξάντλησης των αποθεμάτων σε συμβατικά καύσιμα.Οι κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων παρουσιάζουν χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας και χαμηλούς χρόνους εκκίνησης και για αυτό προτιμούνται έναντι των άλλων τύπων κυψελών καυσίμων. Πραγματοποιείται πειραματική δοκιμή δυναμικών μεταβολών σε μία συστοιχία κυψέλων καυσίμου τύπου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων ισχύος 1,2kW της εταιρίας Nexa και συγκρίνονται-αξιολογούνται οι καμπύλες λειτουργίας που προκύπτουν από την πειραματική διαδικασία με αυτές που παρουσίάζονται από τον κατασκευαστή. Επίσης η προαναφερθείσα συστοιχία μοντελοποιείται στο Matlab με βάση τις εξισώσεις που διέπουν την λειτουργία της και λαμβάνοντας υπόψιν τα επιμέρους χαρακτηριστικά της συστοιχίας. Η προσαρμογή των παραμέτρων πραγματοποιήθηκε αξιοποιώντας την άμεση συσχέτιση των ηλεκτροχημικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό της κυψέλης με την θερμική ανάλυση των ηλεκτρικών στοιχείων. Προκύπτουν έτσι διάφορα χρήσιμα διαγράμματα που αφορούν τόσο την χημική πλευρά του θέματος αλλά και την ηλεκτρική συμπεριφορά που ενδιαφέρει άμεσα τον Ηλεκτρολόγο Μηχανικό. Τέλος, αναπτύσσεται ένα μοντέλο στο Simulink, όπου στην έξοδο του fuel cell συνδέεται ένας μετατροπέας τύπου boost για τροφοδότηση του φορτίου και μελετάται η συμβολή του μετατροπέα αυτού στην απόκριση του συστήματος. Η βασική αρχή που διέπει την λειτουργία ενός μετατροπέα τύπου boost είναι η ιδιότητα της επαγωγής να αντιστέκεται στην μεταβολή του ρεύματος που την διαρρέει. Όταν φορτίζεται το πηνίο δρα σαν φορτίο που απορροφά ενέργεια, ενώ όταν εκφορτίζεται λειτουργεί σαν μια πηγή ενέργειας (σαν μια μπαταρία). Οι dc – dc boost μετατροπείς ρυθμίζουν την τάση εξόδου ώστε αυτή να είναι μεγαλύτερη της τάσης εισόδου. Χρησιμοποιείται ανατροφοδότηση ώστε να μεταβάλλεται κατάλληλα η παλμοδότηση των ημιαγωγικών μας στοιχείων και επομένως να αλλάζει συνεχώς ο λόγος κατάτμησης έτσι ώστε να έχουμε πάντα στην έξοδο του boost 80V. Η ύπαρξη ανατροφοδότησης είναι αναγκαία γιατί όπως μπορούμε να δούμε παρακάτω από τις κυματομορφές της εξόδου του fuel cell , η τάση δεν έχει κάποια σταθερή τιμή, αλλά αντιθέτως μεταβάλλεται συναρτήσει της φύσης και της τιμής του φορτίου. Έτσι, αν δεν γινόταν έλεγχος του λόγου κατάτμησης, η έξοδος του boost θα ακολουθούσε την έξοδο του fuel cell με τις ίδιες διακυμάνσεις και απλώς θα ήταν ενισχυμένη σε πλάτος κατά ένα ποσοστό. Η προσαρμογή των παραμέτρων του προτεινόμενου μοντέλου βασίστηκε στην ελαχιστοποίηση του σφάλματος μεταξύ πειραματικών δεδομένων και αποτελεσμάτων προσομοίωσης. Επιβεβαιώθηκε ότι το fuel cell του μοντέλου παρουσιάζει παρόμοια λειτουργία με αυτό της πειραματικής διάταξης και γίνονται φανερά τα πλεονεκτήματα από την τοποθέτηση ενός τέτοιου είδους μετατροπέα στην έξοδο της συστοιχίας. Όπως φαίνεται από τις καμπύλες που αναπαριστούν τον χρόνο της δυναμικής απόκρισης της κυψέλης καυσίμου τύπου PEM, αυτή κυμαίνεται μεταξύ μερικών εκατοντάδων millisecond (περίπου 0.5sec). Η καθυστέρηση αυτή που παρουσιάζεται στην δυναμική απόκριση της κυψέλης οφείλεται στο γεγονός ότι η αντλία του αέρα αδυνατεί να προσφέρει αρκετή ποσότητα αέρα ώστε να αντιδράσει με το απαιτούμενο υδρογόνο με άμεση συνέπεια στο εσωτερικό της κυψέλης (φαινόμενο διπλής ηλεκτροστιβάδας) και παρουσιάζεται στο ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα με πυκνωτές μεγάλων τιμών (μερικών Farad). Η αδυναμία της κυψέλης να ανταπεξέλθει ακαριαία στις αλλαγές φορτίου, οφείλεται και στις απώλειες διάχυσης. Σε γενικές γραμμές όμως η συστοιχία των κυψελών καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων που μελετήθηκε παρουσίασε καλή δυναμική συμπεριφορά πράγμα που δείχνει ότι τέτοιου είδους συστήματα αδιαμφισβήτητα αποτελούν μία υποσχόμενη τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και ενισχύει το επιχείρημα της χρησιμοποίησης κυψελών καυσίμου σε εφαρμογές ηλεκτροκίνησης Η μελλοντική ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων που χρησιμοποιούν ως καύσιμο το υδρογόνο αναμένεται ραγδαία δεδομένου των ενεργειακών προβλημάτων που αντιμετωπίζει η παγκόσμια κοινότητα σήμερα. Πρόκειται για συστήματα τα οποία μπορούν να δώσουν ανεξαρτησία και φιλική προς το περιβάλλον ενέργεια. / The purpose of this essay is the study of fuel cells (an alternative source of energy) and especially PEM fuel cells. The mechanisms that cause voltage drop in addition to the thermodynamic laws are presented in order to describe the stack operation. Moreover, the individual systems that be needed for the supply of load and some important imformatiοns about the technology of hydrogen (production, storage, advantages, disadvantages of this against conventional fuels) due to the fact that this is the main fuel for these types of fuel cells. Fuel cells are expected to play an important role in the power generation field due to the virtue of the ones inherent clean, efficient and reliable function. The proton exchange membrane fuel cells is the one which draws more attention-compared to current technologies-due to its low operating temperature, ease of start-up and shot-down, and its robustness and solidity. These advantages make it a promising technology for alternative power supply on future vehicles. The current thesis focuses on the experimental data analysis of dynamic responses on a proton exchange membrane fuel cell (1.2kW). This analysis is followed by depicting and comparing the curves that are made out from the experimental procesure with those given by the data sheet. This system is also simulated with Matlab Tools. The several diagrams show many useful aspects about the chemical side of subject in addition to the electric behavior of the stack that concerns mostly the Electric Engineer. A valid model for Fuel Cell and a DC/DC converter that be connected in series is being simulated with simulink tools based on the NEXA 1.2kW operational data. The design of the PEM Fuel Cell is based on the parameters that have been used during the experimental procedure in order to compare the equivalent results. The key principle that drives the boost converter is the tendency of an inductor to resist changes in current. When being charged it acts as a load and absorbs energy (somewhat like a resistor), when being discharged, it acts as an energy source (somewhat like a battery). The main advantages of the boost converter are higher efficiency & reduced component count and it converts the unregulated voltage into desired regulated voltage by varying the duty cycle at high switching frequency lowering the size and cost of energy storage components. The selection of components like boost inductor value and capacitor value is very important to reduce the ripple generation for a given switching frequency. In general, the dynamic behaviour of PEM fuel cell that were presented is quite satisfactory and thats why such systems uncontradictable constitute a promising technology for electric energy production. The future development of hydrogen fuel cell systems for autonomous and interconnected electric power production is expected very high. These systems can produce clean and environmentally friendly energy. Renewable power sources are the most important solution to the global warming problem.

Οι κυψέλες καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές διατάξεις οι οποίες επιτρέπουν την απευθείας μετατροπή της ελεύθερης χημικής ενέργειας ενός καυσίμου σε ηλεκτρική. Η λειτουργία τους βασίζεται σε μία αντίδραση οξείδωσης ενός καυσίμου, η οποία λαμβάνει χώρα στην άνοδο, και σε μία αντίδραση αναγωγής ενός οξειδωτικού μέσου, η οποία λαμβάνει χώρα στην κάθοδο. Οι κυψέλες καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης (ΡΕΜ) χρησιμοποιούν ηλεκτρολύτη αγωγιμότητας Η+, το θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας τους είναι 30-100oC και αποτελούν μία υποσχόμενη τεχνολογία, που βρίσκεται πολύ κοντά στο στάδιο της εμπορευματοποίησης. Το κυριότερο καύσιμο που χρησιμοποιείται στις κυψέλες καυσίμου είναι το Η2, το οποίο παράγεται συνήθως από διεργασίες αναμόρφωσης υδρογονανθράκων ή αλκοολών. Το μονοξείδιο του άνθρακα που παράγεται επίσης κατά την διαδικασία της αναμόρφωσης, αποτελεί ένα σημαντικό άλυτο πρόβλημα στις κυψέλες καυσίμου τύπου ΡΕΜ, καθώς η ρόφησή του στην άνοδο της κυψέλης, παρεμποδίζει τη ρόφηση του Η2. Στην παρούσα εργασία μελετάται η ηλεκτρόλυση του νερού με χρήση μεμβρανών πρωτονιακής αγωγιμότητας καθώς και η μελέτη της βελτίωσης της απόδοσης κελιών καυσίμου τύπου ΡΕΜ μέσω τριοδικής λειτουργίας υπό συνθήκες δηλητηριασμού με CO. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται μια εισαγωγή στην τεχνολογία των κυψελών καυσίμου, την αρχή λειτουργίας τους και τις θερμοδυναμικές αρχές που την διέπουν. Στην συνέχεια περιγράφονται εκτενώς τα χαρακτηριστικά των κυψελών καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης, τα state-of-the-art υλικά που χρησιμοποιούνται και το πρόβλημα της διαχείρισης του νερού. Το δεύτερο κεφάλαιο αποτελεί επίσης εισαγωγικό κεφάλαιο και αναφέρεται στη σημασία του υδρογόνου. Το υδρογόνο δεν αποτελεί μόνο ένα καύσιμο, είναι ένα καύσιμο το οποίο δύναται να αλλάξει άμεσα την σημερινή δομή της οικονομίας που βασίζεται στα ορυκτά καύσιμα (fossil fuels). Στο κεφάλαιο αυτό, αρχικά γίνεται μια ιστορική αναδρομή και στη συνέχεια αναλύονται οι μέθοδοι παραγωγής του και ο ρόλος του ως καύσιμο. Το τρίτο κεφάλαιο αφορά την ηλεκτρόλυση του νερού η οποία γίνεται με χρήση διατάξεων που χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη μια πολυμερική μεμβράνη πρωτονιακής αγωγιμότητας. Αρχικά, γίνεται μια θεωρητική εισαγωγή στη διαδικασία ηλεκτρόλυσης του νερού και στη συνέχεια μια αναφορά στις διατάξεις οι οποίες χρησιμοποιούνται για ηλεκτρόλυση. Ακολουθεί το πειραματικό μέρος, όπου περιγράφονται η παρασκευή της συστοιχίας ανόδου/ηλεκτρολύτη/καθόδου (ΜΕΑ), της πειραματικής διάταξης, της προετοιμασίας των καταλυτών καθώς και η παρουσίαση των πειραματικών αποτελεσμάτων. Κατά την ηλεκτρόλυση του νερού σε κελί καυσίμου τύπου PEM, παρατηρήθηκε 100% εκλεκτικότητα σε οξυγόνο, χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια IrO2 εναποτεθημένα με τη μέθοδο του sputtering σε υπόστρωμα Ti/C. Βρέθηκε ότι το ποσοστό του Nafion επηρεάζει τόσο το ρυθμό παραγωγής οξυγόνου όσο και την εκλεκτικότητα και προστατεύει τις θέσεις C-IrO2 για παραγωγή CO2 και οδηγεί σε 100% εκλεκτικότητα προς οξυγόνο. Στο τέταρτο κεφάλαιο μελετάται η τριοδική λειτουργία των κυψελών καυσίμου υπό συνθήκες δηλητηριασμού της ανόδου με CO. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της χρήσης των κελιών καυσίμου είναι ο δηλητηριασμός του ανοδικού ηλεκτροδίου πλατίνας από CO. Αυτό συμβαίνει διότι κατά την αναμόρφωση των ασθενών υδρογονανθράκων ή υγρών αλκοολών σε υδρογόνο, ταυτόχρονα παράγονται σημαντικά επίπεδα μονοξειδίου του άνθρακα τα οποία δηλητηριάζουν την άνοδο και οδηγούν σε υποβάθμιση της απόδοσης του κελιού. Ο σκοπός της μελέτης αυτής είναι να ερευνηθεί μια εναλλακτική προσέγγιση για την ενίσχυση της απόδοσης των PEMFCs υπό συνθήκες δηλητηριασμού με CO, χρησιμοποιώντας την πρόσφατη περιγραφή του σχεδιασμού και της λειτουργίας των τριοδικών κελιών καυσίμου. Αρχικά στο τέταρτο κεφάλαιο, γίνεται περιγραφή της αρχής λειτουργίας της τριοδικής διάταξης, της προετοιμασίας των ηλεκτροδίων καθώς και της παρασκευής της ΜΕΑ. Επίσης περιγράφεται η ακριβής γεωμετρία της διάταξης του τριοδικού PEMFC με τα ηλεκτρικά κυκλώματα και η ακριβής γεωμετρία της συστοιχίας των τριοδικών PEMFCs. Στη συνέχεια περιγράφεται αναλυτικά η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε για τη λήψη των πειραματικών δεδομένων και ακολουθούν τα πειραματικά αποτελέσματα. Πρώτα παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα για τη συμβατική λειτουργία με τροφοδοσία Η2. Ακολουθούν τα αποτελέσματα για τη συμβατική λειτουργία του κελιού υπό δηλητηριασμό με CO και τέλος, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα της τριοδικής λειτουργίας. Αναφέρεται επίσης αναλυτικά η εξέταση του μηχανισμού της τριοδικής λειτουργίας και το πώς θα μπορούσε να υπάρξει πρακτική εφαρμογή συστοιχιών, οι οποίες θα αποτελούνται από μια τριοδική κυψέλη. Η τριοδική λειτουργία των κελιών καυσίμου τύπου PEM υπό συνθήκες δηλητηριασμού της ανόδου με CO, οδηγεί σε σημαντική αύξηση της ισχύος του κελιού και συγκεκριμένα η τιμή της είναι τρείς φορές μεγαλύτερη από εκείνη που παράγεται κατά τη συμβατική λειτουργία της κυψέλης καυσίμου. Η αύξηση της παραγόμενης ισχύος, είναι μεγαλύτερη κατά ένα παράγοντα της τάξης του 1.32 από την ισχύ που καταναλώνεται στο βοηθητικό κύκλωμα, και οφείλεται σε σημαντική μείωση της ανοδικής υπέρτασης, η οποία με τη σειρά της είναι αποτέλεσμα του εφοδιασμού της ανόδου με πρωτόνια μέσω του βοηθητικού κυκλώματος. Αυτός ο εφοδιασμός με πρωτόνια, αυξάνει το ηλεκτροχημικό δυναμικό των πρωτονίων και το χημικό δυναμικό του υδρογόνου στην άνοδο, με αποτέλεσμα να μειώνεται η κάλυψη της ανόδου με CO και έτσι να ενισχύεται ο ρυθμός της ηλεκτροχημικής του οξείδωσης. Τέλος, στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα τελικά συμπεράσματα που έχουν προκύψει από την παρούσα μελέτη, καθώς και προτάσεις για μελλοντική εργασία. / Fuel cells are electrochemical devices that can convert the chemical energy of a reaction directly into electrical energy. Their operation is based on the oxidation of a fuel, taking part at the anode, and the reduction of an oxidant, taking part at the cathode. Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cells use as the electrolyte a polymer membrane with H+ conductivity. PEMs work at a temperature range 30-100oC and this technology is promising and close to commercialization. The most common fuel used is hydrogen. However, H2 is not directly available, and has to be extracted from other sources, usually via hydrocarbon or alcohol reforming. During this procedure carbon monoxide is formed as well. When a reformate mixture is fed to the anode of a PEM, CO adsorbs strongly on the anode, leaving few remaining sites for the adsorption of H2, and thus causing severe degradation in PEMs performance. The aim of this thesis was to study τhe role of Nafion content in sputtered IrO2 based anodes for low temperature PEM water electrolysis and also it was examined the enhanced performance of CO poisoned proton exchange membrane fuel cells via triode operation. The first chapter refers to the technology of fuel cells, their operating principles and the thermodynamic aspects. It is focused on the PEM fuel cells, the state-of-the-art materials used and the problem of water management. The second chapter gives an introduction about hydrogen which is a very prominent fuel and can straightly change the economy that is based on fossil fuels. Firstly, in this chapter is presenting, a throwback of hydrogen and a short presentation of methods of hydrogen production. Chapter 3 refers to PEM water electrolysis. It is presenting a theoretical introduction about electrolysis process and a description of the sets up that are used for electrolysis. The procedure for preparing a membrane electrode assembly and the experimental setup are also described. Stable water electrolysis was achieved in a PEM, with 100% selectivity to oxygen, using IrO2 electrodes sputter-deposited on a Ti/C support interfaced with the Nafion electrolyte. It was found that the amount of Nafion content on the electrode can affect both the rate of the oxygen evolution and the oxygen selectivity. It also appears that Nafion ionomer addition protects the C-IrO2 active sites for carbon oxidation leading to 100% selectivity to oxygen. In chapter 4 is studied the effect of triode operation on the performance of CO poisoned PEM fuel cells One of the main problems associated with the practical utilization of PEMFC units is that of CO poisoning of the Pt-based anode. This is because hydrogen-rich reformates of light hydrocarbons or liquid alcohols inevitably contain significant levels of carbon monoxide that poisons the anode and degrades fuel cell performance. The objective of this work is to investigate an alternative approach for enhancing the PEMFC performance under CO poisoning conditions by using the recently described triode fuel cell design and operation. Firstly, in chapter 4 it is described, the operating principle of the triode set up, the preparation of the electrodes and the MEA preparation. Also it is described the exact geometry of the triode set up and the schematic of a possible design of a triode PEMFC stack. It is delineated the procedure that was followed in order to obtain all the experimental data. First are presented the experimental results obtained in the conventional fuel cell operation mode without and with CO added to the anode feed gas and then proceed with the detailed presentation of the triode operation results. Ιt is also mentioned the investigation of the triode operation mechanism and the design of a triode PEMFC stuck. Triode operation of CO poisoned PEM fuel cells leads to very significant, threefold, increase in power output of the fuel cell circuit. This increase in power output is up to a factor of 1.32 larger than the power sacrificed in the auxiliary circuit and is mainly due to a significant decrease in anodic overpotential caused by the supply of protons to the anode via the auxiliary electrode. This proton supply increases the electrochemical potential of protons and chemical potential of hydrogen at the anode, thus decreasing the coverage of CO and enhancing its electrooxidation rate. Finally, the general conclusions of this study and proposals for future studies are given in chapter 5.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάλυση, το σχεδιασμό και την κατασκευή ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος με σύγχρονο κινητήρα μόνιμων μαγνητών, το οποίο αποτελεί βάση ανάπτυξης ηλεκτροκίνητου οχήματος κυψελών καυσίμου. Ειδικότερα, επικεντρώνεται στα ηλεκτρικά συστήματα πρόωσης και τροφοδοσίας του οχήματος και εστιάζει στην οδήγηση σύγχρονων κινητήρων μόνιμων μαγνητών τραπεζοειδούς κυματομορφής τάσης εξ επαγωγής παρακάμπτοντας τη χρήση αισθητήρων θέσης. Στη κατεύθυνση αυτή, επισημαίνονται τα προβλήματα της χρήσης των αισθητήρων τύπου Hall και ερευνάται η επίδραση της εσφαλμένης τοποθέτησης ή μετατόπισης των αισθητήρων στα λειτουργικά χαρακτηριστικά αυτού του τύπου του κινητήρα. Ειδικότερα, προτείνεται μέθοδος εντοπισμού και ποσοτικοποίησης της γωνίας απόκλισης από την ορθή θέση, που βασίζεται στην εμφανιζόμενη τάση εξ επαγωγής και εφαρμόζεται σε πραγματικό χρόνο. Επίσης, αξιολογούνται οι μέθοδοι οδήγησης σύγχρονων κινητήρων μόνιμων μαγνητών χωρίς τη χρήση αισθητήρων θέσης, οι οποίες έχουν προταθεί στο πλαίσιο ερευνητικών εργασιών στο διεθνή χώρο, βάση τη δυνατότητα εφαρμογής τους σε διαφόρους τύπους σύγχρονων κινητήρων μόνιμων μαγνητών, το εύρος λειτουργίας του κινητήρα, τον αξιόπιστο εντοπισμό των σημείων μετάβασης και τον υπολογιστικό φόρτο υλοποίησής τους. Προτείνεται νέα μέθοδος οδήγησης σύγχρονου κινητήρα μόνιμων μαγνητών τραπεζοειδούς κυματομορφής τάσης εξ επαγωγής, παρακάμπτοντας τη χρήση των αισθητήρων θέσης. Η μέθοδος αυτή επιτυγχάνει διευρυμένο εύρος λειτουργίας του κινητήρα με αξιόπιστο εντοπισμό των σημείων μετάβασης (μέγιστη ακρίβεια εντοπισμού το σημείου μηδενικού δυναμικού του πληροφοριακού σήματος). Το δε κόστος και ο υπολογιστικός φόρτος για την υλοποίηση της μεθόδου είναι χαμηλά. Τέλος, προτείνεται μέθοδος ενεργειακής διαχείρισης ηλεκτροκινητήριου συστήματος με υβριδικό σύστημα τροφοδοσίας ως βάση ανάπτυξης αμιγούς ηλεκτρικού οχήματος. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου αξιολογείται στο υπό μελέτη σύστημα για έναν τυπικό κύκλο οδήγησης εντός πόλης. Αναλυτικότερα, στο κεφάλαιο 1 επισημαίνεται η αναγκαιότητα της αντικατάστασης των μηχανών εσωτερικής καύσης από ηλεκτρικούς κινητήρες στον τομέα της αυτοκίνησης. Επίσης, αναφέρονται οι στόχοι που τέθηκαν για την εκπλήρωση της διατριβής και η γενική δομή αυτής. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται η τεχνολογία των Σύγχρονων Μηχανών Μόνιμων Μαγνητών. Συγκεκριμένα, εξετάζονται τα κατασκευαστικά στοιχεία αυτού του τύπου μηχανών, υπό το πρίσμα της επιρροής αυτών στα λειτουργικά χαρακτηριστικά. Επίσης παρατίθεται μια συγκριτική μελέτη της λειτουργίας των δύο (2) κατηγοριών Σύγχρονων Μηχανών Μόνιμων Μαγνητών, όπως αυτά καθορίζονται από την μορφή της Τάσης εξ Επαγωγής. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται αναλυτικά η λειτουργική συμπεριφορά του Σύγχρονου Κινητήρα Μόνιμων Μαγνητών Τραπεζοειδούς Κυματομορφής Τάσης εξ Επαγωγής. Επίσης τίθεται το ζήτημα οδήγησης αυτού του είδους Σύγχρονων Κινητήρων καθώς απαιτείται γνώση για τη θέση του δρομέα και ως εκ τούτου είναι απαραίτητη η ενσωμάτωση αντίστοιχων αισθητήρων. Στο κεφάλαιο αυτό, επίσης παρουσιάζεται μία μελέτη αναφορικά με τα σφάλματα που εισάγουν στη λειτουργία του κινητήρα οι ασύμμετρα τοποθετημένοι αισθητήρες θέσης τύπου Hall. Ως κατακλείδα αυτής της μελέτης προτείνεται μία μεθοδολογία ανίχνευσης της εσφαλμένης τοποθέτησης των αισθητήρων θέσης και προσδιορισμού της γωνίας απόκλισης αυτών. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται μια εκτενής μελέτη των τεχνικών οδήγησης Σύγχρονων Κινητήρων Μόνιμων Μαγνητών Τραπεζοειδούς Κυματομορφής Τάσης εξ Επαγωγής, παρακάμπτοντας τη χρήση αισθητήρων θέσης. Οι παρουσιαζόμενες μέθοδοι συγκρίνονται ως προς τα μεγέθη που χρησιμοποιούν για να εξάγουν την πληροφορία αναφορικά με τη θέση του δρομέα, τον τρόπο μέτρησης και τις μεθόδους επεξεργασίας αυτών. Στο κεφάλαιο 5 αναλύεται διεξοδικά η μέθοδος που προτάθηκε από τον συγγραφέα της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής αναφορικά με την οδήγηση των υπό μελέτη κινητήρων. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης τεχνικής οδήγησης επιβεβαιώνεται μέσω προσομοιωτικών αποτελεσμάτων. Επίσης παρατίθενται και πειραματικά δεδομένα από τα ενδιάμεσα στάδια επεξεργασίας που συνιστούν την προτεινόμενη τεχνική οδήγησης. Στο κεφάλαιο 6 περιγράφεται η πειραματική διάταξη και παρουσιάζονται αποτελέσματα πειραματικής διερεύνησης του ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος Σύγχρονου Κινητήρα Μόνιμων Μαγνητών, στο οποίο εφαρμόζεται η προτεινόμενη τεχνική οδήγησης. Η μέθοδος αυτός αξιολογείται σε διάφορα σημεία λειτουργίας του υπό μελέτη κινητήρα. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται μια εφαρμογή του υπό μελέτη κινητήριου συστήματος στα ηλεκτροκίνητα οχήματα. Σε αυτό το πλαίσιο γίνεται μία συγκριτική μελέτη των ηλεκτρικών οχημάτων σε επίπεδο κινητήρων και ενεργειακών πηγών. Στο κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται η τεχνολογία των κυψελών καυσίμου με έμφαση στον τύπο μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων. Αναλύονται εκτενώς τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των κυψελών καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων και πραγματοποιείται πειραματική διερεύνηση της λειτουργικής συμπεριφοράς μιας εμπορικής συστοιχίας κυψελών καυσίμου. Τα αποτελέσματα αυτά αποτελούν τη βάση για την ανάπτυξη ενός μοντέλου για τη δεδομένη συστοιχία κυψελών καυσίμου στο περιβάλλον Matlab. Στο κεφάλαιο 9 παρουσιάζονται οι αρχιτεκτονικές διασύνδεσης του συστήματος τροφοδοσίας με το ηλεκτροκινητήριο σύστημα και συγκριτική μελέτη των μεθόδων συντονισμού των επιμέρους υποσυστημάτων με βάση τη διεθνή βιβλιογραφία. Επίσης, προτείνεται μέθοδος ενεργειακής διαχείρισης για ηλεκτροκινητήριο σύστημα με υβριδικό σύστημα τροφοδοσίας ως βάση ανάπτυξης αμιγούς ηλεκτρικού οχήματος. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου αξιολογείται στο υπό μελέτη σύστημα μέσω προσομοίωσης στο περιβάλλον Matlab για ένα τυπικό κύκλο οδήγησης εντός πόλης. Τέλος, στο κεφάλαιο 10 επισημαίνεται η συμβολή της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής στην έρευνα σχετικά με τα ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα Σύγχρονων Κινητήρων Μόνιμων Μαγνητών τροφοδοτούμενα από ηλεκτροχημικές πηγές ενέργειας, ανακεφαλαιώνονται τα αποτελέσματα αυτής και αναφέρονται σημεία που μπορούν να αποτελέσουν αντικείμενο επιστημονικής έρευνας στο μέλλον. / This thesis deals with the analysis, design and deployment of an electric drive system with a brushless DC (BLDC) motor, which is the basis for the development of a Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV). Particularly, this thesis focuses on the electrical systems (propulsion and sources) of a lightweight vehicle and gives emphasis on position sensorless commutation techniques of a BLDC motor drive system. From that perspective, the issues concerning the embedded Hall effect sensors are highlighted and the effects of incorrect positioning or displacement of sensors in the operational characteristics of this type of motor are investigated. Additionally, a method for identifying and quantifying the angle of deviation from the correct position of Hall effect sensors is proposed, based on back Electromagnetic Force (EMF) zero crossing points. It should be noticed that the proposed method is implemented for real time fault detection and identification. Moreover, the already published position sensorless commutation methods for BLDC motor drive systems have been assessed based on their applicability to various types of permanent magnet synchronous motors, the operating range of the motor, the reliable identification of the correct commutation instant and the computational cost for their implementation. A novel method for position sensorless commutation of a BLDC motor drive system with trapezoidal back EMF has been proposed exploiting the Zero Sequence Voltage (ZSV). The incorporation of the proposed method in the BLDC motor drive system enables extended operational speed range of the motor without load torque limitations while the accurate commutation instants are defined reliably within that range (accurate zero crossing point detection of the information signal). It should be noticed that the overall cost for implementing this method is kept low. Finally, in this thesis, an energy management strategy for a BLDC motor drive system power by multiple electrical sources is proposed, as the basis for a FCEV constitution. The effectiveness of the proposed strategy is verified through a simulation scenario for typical urban driving cycle. Specifically, in Chapter 1 the need for replacement of internal combustion engines by electric machines in the automotive sector is highlighted. Also, a brief description of the aims and the structure of this thesis are provided. In Chapter 2 an introduction of permanent magnet synchronous machines technology is provided. The design features of machine components and their influence on the electrical characteristics of these electrical machines are provided. Also, a comparative study for permanent magnet synchronous motors (PMSM) and BLDC motor is presented. In Chapter 3 the operational behavior of a BLDC motor with trapezoidal back EMF driven by a three phase inverter that utilizes Hall effect sensors is investigated. The issues raised by the utilization of Hall effect sensors for the commutation techniques are highlighted. This chapter also presents a study of the side effects of Hall sensors misplacement on BLDC motor operation. Concluding this study, a method for detecting the incorrect placement of Hall sensors and for determining the exact angular misplacement is proposed. In Chapter 4 a comprehensive study of already known position sensorless commutation techniques for BLDC motor drive systems is presented. These methods are classified with respect to the electrical characteristics that utilize for extracting information regarding the rotor position and the required measurement and processing units. In Chapter 5 a novel position sensorless commutation method for a BLDC motor drive system is proposed by the author of this thesis. The effectiveness of the proposed technique is verified via simulation results of the investigated drive system. Also some experimental results from the intermediate processing steps of the proposed technique are provided. In Chapter 6 the constructed in our Laboratory experimental setup is presented. Experimental results of the investigated BLDC motor drive system which incorporates the proposed position sensorless commutation method are presented. The proposed method and the experimental results are assessed for steady state and during transient in comparison to those coming from embedded Hall sensor. In Chapter 7 an application of the investigated BLDC motor drive system as a propulsion system in electric vehicles is provided. In this context, a comparative study of the existing electric vehicle architectures is provided. In Chapter 8 the technology of Fuel Cells (FCs) with emphasis on Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are provided. The electrical characteristics of a PEMFC stack are extensively analyzed and experimental investigation has been carried out for the operational behavior of a commercial PEMFC stack to be clarified. These results provide the basis for developing a mathematical model for the given stack in the Matlab/Simulink environment. In Chapter 9 the architectural interconnection of the supply system with the propulsion system is described. Also, a literature review of the already known energy management methods for pure electric vehicles with hybrid power supply system is provided. In this chapter an energy management strategy is proposed for dual BLDC motor drive system powered by two different electrochemical energy sources. The effectiveness of the proposed method is evaluated in the investigated system via simulation in Matlab/Simulink environment for a typical urban driving cycle. Finally, in Chapter 10 the original contribution of this thesis to the research domain of BLDC motor drive systems power by electrochemical energy sources is highlighted, its additional results are noted and subjects of possible future work are presented.

Οι κυψέλες καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές διατάξεις οι οποίες επιτρέπουν την απευθείας μετατροπή της ελεύθερης χημικής ενέργειας ενός καυσίμου σε ηλεκτρική. Οι κυψέλες καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης (ΡΕΜ) αποτελούν μία υποσχόμενη τεχνολογία που βρίσκεται κοντά στο στάδιο της εμπορευματοποίησης. Το κυριότερο καύσιμο που χρησιμοποιείται στις κυψέλες καυσίμου είναι το υδρογόνο, το οποίο παράγεται συνήθως από αναμόρφωση υδρογονανθράκων ή αλκοολών. Το μονοξείδιο του άνθρακα που παράγεται επίσης κατά την διαδικασία της αναμόρφωσης αποτελεί ένα σημαντικό άλυτο πρόβλημα στις κυψέλες ΡΕΜ, καθώς η ρόφησή του στην άνοδο της κυψέλης προκαλεί την υποβάθμιση της λειτουργίας της. Το φαινόμενο της ηλεκτροχημικής ενίσχυσης συνίσταται στην μη-φαρανταϊκή τροποποίηση της ενεργότητας ενός καταλύτη που βρίσκεται σε επαφή με έναν στερεό ηλεκτρολύτη, ως αποτέλεσμα της μετακίνησης προωθητικών ειδών από τον ηλεκτρολύτη προς την καταλυτική διεπιφάνεια μετάλλου/αερίου, που προκαλείται από την επιβολή ρεύματος ή δυναμικού μεταξύ του καταλύτη και ενός ηλεκτροδίου αναφοράς. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η ηλεκτροχημική ενίσχυση της οξείδωσης μίγματος αναμόρφωσης μεθανόλης από ανόδους πλατίνας και χρυσού μίας κυψέλης ΡΕΜ. Αποδείχθηκε πως η ηλεκτροχημική ενίσχυση επηρεάζεται σημαντικά από το διαχεόμενο διαμέσου της πολυμερικής μεμβράνης οξυγόνο, όπως επίσης και από τις συνθήκες λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου. Επίσης μελετήθηκε η ηλεκτρική απόδοση ανόδων πλατίνας και χρυσού παρουσία CO. Προσδιορίστηκαν οι τιμές της ενθαλπίας ρόφησης του CO στα ηλεκτρόδια πλατίνας και χρυσού, καθώς και οι τιμές της ενέργειας ενεργοποίησης της απομάκρυνσης του CO από το κάθε ηλεκτρόδιο. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στο φαινόμενο της πολλαπλότητας μονίμων καταστάσεων κατά την λειτουργία κυψελών ΡΕΜ. Παρατηρήθηκε εξασθένηση του φαινομένου με την αύξηση της θερμοκρασίας, σε συμφωνία με τις προβλέψεις του μοντέλου γ. / Fuel cells are electrochemical devices which convert chemical energy of a fuel directly to electricity. Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells are close to commercialization. The most common fuel used is hydrogen, which is usually produced via hydrocarbons or alcohol reforming. However, during this process, carbon monoxide is formed as well, adsorbs strongly on the anode of the cell and thus impairs significantly its performance. The electrochemical promotion effect is a phenomenon where application of constant current or potential between a catalyst supported on a solid electrolyte and a reference electrode, leads to non-Faradaic changes in catalytic activity. In this thesis, it was studied the electrochemical promotion of oxidation of a methanol reformate mixture on platinum and gold anodes of a PEM fuel cell. It was found that electrochemical promotion is influenced by oxygen crossover through the polymer membrane and also by the cell operating conditions. Moreover, the electrical efficiency of platinum and gold anodes in presence of CO was studied and the values of the heat of CO adsorption on each anode and the activation energies of CO removal were estimated. Finally, the effect of temperature on the phenomenon of steady-state multiplicities was studied. It was found that increasing the temperature, the phenomenon of multiplicities is suppressed in agreement with the gama model.