YAKİT PİLİ-BATARYA HİBRİT GÜÇ SİSTEMİNİN PERFORMANSİNİN DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ

Abstract

Son yıllarda fosil yakıtların enerji kaynağı olarak kullanımının sebep olduğu sorunları belirleyebilmek ve üstesinden gelebilmek için birçok çaba sarf edilmektedir. Buna rağmen fosil yakıtlara olan bağımlılığımızı kısa bir sürede sona erdiremeyeceğimiz kabul edilmelidir. Aslında bu durum, enerji alanındaki teknolojilerin yavaş bir dönüşümü ile uzun yıllar sürecektir. Bu geçiş döneminde, alternatif enerji kaynaklarına geçişi desteklemek için bunu sağlayacak teknolojiler arasında iletişim kurmaya tüm dünyanın ihtiyacı olacaktır. Bu nedenle enerji verimliliğini arttırırken emisyon ve maliyetleri düşürmeyi vadeden hibrit güç sistemlerinin kabul görmesi bu desteğin ilk aşaması olacaktır. Yakıt olarak hidrojen kullanan, proton değişim zarlı (PEM) yakıt pili-batarya hibrit güç sistemi diğer geleneksel bataryalara göre daha yüksek enerji ve güç yoğunluğuna sahiptir. Bunun yanında en fazla gelecek vadeden, çevre dostu alternatif enerji kaynaklarından biridir. Bu tez çalışmasında bir PEM yakıt pili-batarya hibrit güç sistemi tasarımının genel bir yöntemi ortaya konulacaktır. Özellikle mobil güç uygulamalarında, düşük sıcaklık şartlarında çalışan PEM yakıt pilleri uygundur ama PEM yakıt pillerinin bağımsız çalışma konusunda bazı problemleri vardır. Öncelik arz eden kritik problemlerinin başında, artan güç talebiyle ani gerilim düşümlerinin oluşması ve uzun tepki verme süresi gelmektedir. Fakat birçok elektronik cihaz kararlı bir güç ve hızlı tepkilere ihtiyaç duyar. Bu nedenle, değişen yük şartlarında düzenli ve hızlı tepkilere sahip bir güç sağlaması istenen sistemlerde, PEM yakıt pili ile birlikte çalışacak, hızlı şarj-deşarj özelliğine sahip bataryalara ve güç düzenleme cihazlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez çalışmasında da batarya, hibrit batarya şarj cihazı ve yakıt pilinden oluşan ve belirtilen şartlara sahip bir güç sistemi tasarlanmış ve performansı incelenmiştir. Batarya, hızlı tepki vermesi nedeniyle yakıt piline ek olarak yardımcı bir güç kaynağı olarak kullanılmış olup aynı zamanda yük gücünün nominal yakıt pili gücünden düşük olduğu durumlarda da fazla enerjiyi depolamaktadır. Hibrit batarya şarj cihazı hem batarya, yakıt pili ve yük arasındaki koordinasyonu sağlamakta hem de gerilimlerini regüle etmektedir. Böylece yakıt pili ve bataryanın dezavantajları elimine edilirken her ikisinin de avantajları korunmuş olur.

Many efforts have been made in recent years to determine issues surrounding the use of fossil fuels for energy. However, it must be admitted that we can not finish our dependence on fossil fuels in a short time. Actually it is possible by a relatively slow migration of technologies over several years. During this transition period the world will need establishing connections between technologies to support in the transition to alternate energy sources. The first stage of this support is the acceptance of hybrid power systems which shows much promise in boosting energy efficiency while reducing emissions and costs. A proton exchange membrane (PEM) fuel cell–battery power system using hydrogen as fuel has a higher energy and power density than conventional batteries, and it is one of the most up-and-coming environmentally friendly alternative energy sources. A general methodology of building of a PEM fuel cell–battery system is introduced in this thesis. A PEM fuel cell that operates in low temperature conditions is suitable for the portable power applications. However, PEM fuel cells have some problems about working independently as a power system. A rapid voltage drop and a slow response to the load demand are the primary critical problems, as most electronic devices require stabilized power and fast transient response. Thus, energy storage devices, such as fast charge and discharge battery and power regulation devices are required to work with the PEM fuel cell to form a power system to provide regulated, fast-response power to a variable load. Such a system consisting a battery, a hybrid battery charger and a PEM fuel cell is designed and its performance is investigated in this thesis. Battery is used as an auxiliary power source addition to fuel cell for a fast response to the load demand and it also stores surplus energy in case of load power is lower than nominal fuel cell power. Coordination between fuel cell, battery and load is provided by hybrid battery charger and it also regulates voltages. Thus, designed system eliminates all disadvantages of fuel cell and battery while saving advantages of both.