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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/4405 |
| Date | 16 June 2011 |
| Creators | Μαρίνης, Ανδρέας |
| Contributors | Πυργιώτη, Ελευθερία, Marinis, Andreas, Πυργιώτη, Ελευθερία, Ζαχαρίας, Θωμάς |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 12 |
Page generated in 0.004 seconds