Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

ผลของภาระที่ไม่คงตัวต่อประสิทธิภาพของระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิด PEM

Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)

Effect of dynamic loads on the efficiency of pem fuel cell system

Year (A.D.)

2012

Document Type

Thesis

First Advisor

อังคีร์ ศรีภคากร

Faculty/College

Faculty of Engineering (คณะวิศวกรรมศาสตร์)

Degree Name

วิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต

Degree Level

ปริญญาโท

Degree Discipline

วิศวกรรมเครื่องกล

DOI

10.58837/CHULA.THE.2012.1167

Abstract

วิทยานิพนธ์ฉบับนี้ศึกษาถึงประสิทธิภาพของระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนภายใต้การทำงานในสภาวะคงตัวและไม่คงตัว เพื่อระบุถึงต้นเหตุหลักที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของระบบเซลล์เชื้อเพลิงทั้งในสภาวะคงตัวและไม่คงตัว พร้อมระบุแนวทางการออกแบบระบบเสริมได้แก่ คอมเพรสเซอร์และชุดพัดลมระบายอากาศ การศึกษานี้นำเสนออัตราการเปลี่ยนแปลงกำลังไฟฟ้าในรูปตัวแปรไร้มิติที่เรียกว่า normalized power slew rate ที่สามารถใช้เป็นพารามิเตอร์ที่บ่งบอกสภาพไม่คงตัวของภาระและใช้อ้างอิงได้กับระบบเซลล์เชื้อเพลิงขนาดอื่นด้วย การทดสอบระบบเซลล์เชื้อเพลิงในสภาวะไม่คงตัวอ้างอิงภาระตามวัฏจักรขับขี่จำนวน 4 วัฏจักรได้แก่ modified FTP75, NYCC, ECE15 และ HWFET นอกจากนี้ยังได้ทดสอบระบบเซลล์เชื้อเพลิงภายใต้ภาระแบบไซน์ที่มีความถี่แตกต่างกัน ผลการทดสอบสมรรถนะของเซลล์แถวด้วยภาระแบบไซน์สามารถระบุได้ถึงช่วงของ normalized power slew rate ที่ส่งผลให้สมรรถนะของเซลล์แถวแตกต่างจากสภาวะคงตัวอย่างชัดเจน เมื่อพิจารณาประสิทธิภาพของเซลล์แถวภายใต้วัฏจักรขับขี่พบว่าแตกต่างจากสภาวะคงตัวน้อยมาก (ประมาณ 1%) เนื่องจากวัฏจักรขับขี่มี normalized power slew rate อยู่ในช่วงที่ไม่สูงพอที่จะให้เกิดความแตกต่างจากสภาวะคงตัว อย่างไรก็ตามเมื่อพิจารณาประสิทธิภาพของทั้งระบบเซลล์เชื้อเพลิงพบว่าแตกต่างจากสภาวะคงตัวมากขึ้น (ประมาณ 3%) โดยเฉพาะช่วงภาระสูง สาเหตุเกิดจากการทำงานของคอมเพรสเซอร์ที่ทำหน้าที่ไล่น้ำที่ตกค้างในช่องทางการไหลเมื่อระบบตรวจวัดพบว่าเซลล์แถวเกิดสภาวะน้ำท่วม ในช่วงการไล่น้ำประสิทธิภาพของระบบเซลล์เชื้อเพลิงจะลดต่ำลงจากสภาวะคงตัวอย่างชัดเจน สำหรับแนวทางการออกแบบระบบเสริมได้พิจารณาในแง่มุมของขนาดการบริโภคกำลังไฟฟ้าของคอมเพรสเซอร์และชุดพัดลมระบายอากาศ โดยประเมินการบริโภคกำลังไฟฟ้าจากส่องส่วนคือ กำลังไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนเพลาจากแบบจำลองไอเซนทรอปิก และการสูญเสียในมอเตอร์จากการทดสอบในสภาวะไร้ภาระ ผลการเปรียบเทียบการประเมินการบริโภคกำลังไฟฟ้ากับผลการทดลอง พบว่าแนวทางดังกล่าวนี้มีความแม่นยำเพียงพอที่จะใช้เป็นแนวทางในการออกแบบระบบเสริมได้

Other Abstract (Other language abstract of ETD)

This thesis investigated the difference in the performance of proton exchange membrane fuel cell system under steady state and transient operations. The main causes that affect the performance of the fuel cell system are identified in both steady state and transient operations. Guidelines for the sizing of auxiliary systems including air compressor and air blower are devised. The normalized power slew rate is used as a parameter indicative of the degree of transient fuel cell operation compared to the transient nature of automotive driving cycles. The fuel cell system is put under 4 standardized driving cycles, including 1) modified FTP75 2) NYCC 3) ECE15 and 4) HWFET. To reveal the underlining dynamics of the operation, the fuel cell is also put under sinusoidal loads with different frequencies. The normalized power slew rate was found to be able to distinguish the steady-state-like behavior from transient behavior. The polarization curve indicated that the stack performance under driving cycles is very similar to the steady-state behavior. The influence of the transient operation to the average stack efficiency over the four driving cycles is minimal (about 1%). The system-level efficiency, however, show a more pronounced difference (about 3%) in the transient operation from the steady-state operation especially at larger load. Periods of water flushing are observed in the compressor power and the air flow rate. Snapshots of the stack voltage reveal that the intermittent peak in compressor power related to the flooding phenomena in the fuel cell stack is responsible for the discrepancy in the transient operation from the steady-state operation. Guidelines for component sizing were considered in terms of power consumption of the air compressor and the air blower. The power consumption was determined from two parts; the shaft power from isentropic model and the loss in the motor from no load test condition. It was experimentally validated that this approach is suitably accurate as a guideline for the system design.

Link to Full Text

Share

COinS