Institutional Repository
Technical University of Crete
Technical University of Crete
EN
|
EL
| URI | http://purl.tuc.gr/dl/dias/4B07D875-4735-4345-8E33-CE182D93B6EF | - |
| Identifier | https://doi.org/10.26233/heallink.tuc.104631 | - |
| Language | en | - |
| Extent | 69 pages | en |
| Title | Modeling and control of a PEM fuel cell for use in hydrogen vehicles | en |
| Title | Μοντελοποίηση και έλεγχος κυψέλης καυσίμου τύπου PEM για χρήση σε οχήματα υδρογόνου | el |
| Creator | Charalampous Nikolaos | en |
| Creator | Χαραλαμπους Νικολαος | el |
| Contributor [Thesis Supervisor] | Ipsakis Dimitrios | en |
| Contributor [Thesis Supervisor] | Ιψακης Δημητριος | el |
| Contributor [Committee Member] | Doitsidis Eleftherios | en |
| Contributor [Committee Member] | Δοιτσιδης Ελευθεριος | el |
| Contributor [Committee Member] | Piperidis Savvas | en |
| Contributor [Committee Member] | Πιπεριδης Σαββας | el |
| Publisher | Πολυτεχνείο Κρήτης | el |
| Publisher | Technical University of Crete | en |
| Academic Unit | Technical University of Crete::School of Production Engineering and Management | en |
| Academic Unit | Πολυτεχνείο Κρήτης::Σχολή Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης | el |
| Content Summary | This thesis focuses on the dynamic modeling and control of a Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cell stack intended for hydrogen-powered vehicle applications. PEM fuel cells are increasingly important in clean energy technologies due to their high efficiency, low emissions, and rapid dynamic response. The accurate modeling and design of appropriate control strategies are thus critical to optimizing their performance and integration into energy systems. The system is first modeled using a set of nonlinear differential equations, which describe the core state variables of the fuel cell stack, including chemical concentrations, thermal dynamics, current production, and reactant flows. This nonlinear model is then linearized using a Taylor series expansion around steady-state points, resulting in a simplified linear form. Subsequently, the model is expressed in state-space representation, enabling the application of advanced control methodologies. Following model development, simulation results are presented for each of the three models—nonlinear, linear, and state-space. These models are compared under nominal and perturbed conditions by introducing ±30% changes in hydrogen input flow and coolant mass flow rate (air). The consistency of the results confirms the equivalence and accuracy of the state-space model, making it suitable for control design. In the final phase, two closed-loop control problems are addressed: regulating the output current through hydrogen input and managing system temperature via coolant flow. Controllers of type P, PI, and PID are designed using the Ziegler–Nichols and Tyreus–Luyben tuning methods. Their performance is assessed using standard performance criteria (ISE, IAE, ITSE, IATE). Simulation results indicate that the PID controller tuned via Tyreus–Luyben performs best for current control, while the Ziegler–Nichols PID configuration is more effective for temperature regulation. | en |
| Content Summary | Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μοντελοποίηση και τον έλεγχο μιας κυψέλης καυσίμου τύπου PEM για χρήση σε οχήματα υδρογόνου. Η μοντελοποίηση της κυψέλης θα γίνει με την χρήση μη γραμμικών διαφορικών εξισώσεων οι οποίες θα ορίζουν τις μεταβλητές κατάστασης του συστήματος. Στην συνέχεια, θα γίνει η γραμμικοποίηση του συστήματος με την βοήθεια της σειράς Taylor και η μετατροπή του γραμμικού μοντέλου σε μοντέλο χώρου κατάστασης. Επιπλέον, θα γίνει η σύγκριση των μοντέλων με σκοπό την επαλήθευση της ομοιότητας των αποτελεσμάτων. Αφού γίνει η επαλήθευση, θα πραγματοποιηθεί μια προσομοίωση με διάφορες αρχικές συνθήκες ώστε να εξαχθεί η ορθότητα και η ομοιότητα των μοντέλων. Τέλος, στον μοντέλο χώρου κατάστασης θα γίνει έλεγχος δυο σημαντικών μεταβλητών εξόδου ως προς τις μεταβλητές εισόδου. Αυτές οι μεταβλητές θα είναι το παραγόμενο ρεύμα (Ifc) σε σχέση με την ροή υδρογόνου στην είσοδο του συστήματος (Fin_H2) και η παραγόμενη θερμοκρασία (Tout) με τον ρυθμό ροής μάζας ψυκτικού (mcool). Στο πρώτο κεφάλαιο θα παρουσιαστεί η μοντελοποίηση του μη γραμμικού μοντέλου καθώς και η γραμμικοποίησή του σε γραμμικό και μοντέλου χώρου-κατάστασης. Επίσης θα γίνει και η παρουσίαση των συναρτήσεων μεταφοράς των μεταβλητών κατάστασης που θα χρησιμοποιηθούν στην συνέχεια. Στο δεύτερο κεφάλαιο, θα περιγραφούν οι αρχικές συνθήκες του κάθε μοντέλου και η λύση αυτών, παρουσιάζοντας τα αποτελέσματα σε μορφή γραφικών διαγραμμάτων. Στην συνέχεια, θα γίνει η σύγκρισή τους σε υπό αλλαγμένες τις παραμέτρους της Fin_H2 και του mcool κατά +/- 30%. Στο τρίτο κεφάλαιο θα γίνει μια παρουσίαση των ελεγκτών που θα χρησιμοποιηθούν, θα περιγραφεί η διαδικασία ελέγχου και θα επιλεχθεί ο κατάλληλος ελεγκτής για το συγκεκριμένο σύστημα. | el |
| Type of Item | Διπλωματική Εργασία | el |
| Type of Item | Diploma Work | en |
| License | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | en |
| Date of Item | 2025-09-16 | - |
| Date of Publication | 2025 | - |
| Subject | Control systems | en |
| Subject | Hydrogen vehicles | en |
| Subject | Fuel cell stack | en |
| Bibliographic Citation | Nikolaos Charalampous, "Modeling and control of a PEM fuel cell for use in hydrogen vehicles", Diploma Work, School of Production Engineering and Management, Technical University of Crete, Chania, Greece, 2025 | en |
| Bibliographic Citation | Νικόλαος Χαραλάμπους, "Μοντελοποίηση και έλεγχος κυψέλης καυσίμου τύπου PEM για χρήση σε οχήματα υδρογόνου", Διπλωματική Εργασία, Σχολή Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Πολυτεχνείο Κρήτης, Χανιά, Ελλάς, 2025 | el |
Copyright © DIAS 2013
