In this paper, a mathematical modeling was developed to simulate 1kW class air cooled Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell(PEMFC) system. The proposed modeling was conducted under SIMULINK based environment. The model ing was developed based on the thermodynamic and chemical equilibrium. The objective is to design and implement the entire fuel cell system model ing including the system controller modeling. The fuel cell process and the control system modeling should have to be connected with each other simultaneously, therefore the two types of modeling influences each other when the system simulator run. The fuel cell modeling libraries are simulated using the SIMULINK under the thermodynamic and chemical equilibrium base. The PID controller application was designed and developed to test the process modeling and verify it. This the prototype development of the fuel cell system to design and test more complicate fuel cell systems, like the residential power generation system. The simulation results was compared to the real PEMFC system performance. We have achieved the reasonable accordance with the Lab test and the simulation results.
Power converter are usually equipped for fuel cell power generation system to connect alternating current (AC) electric power grid. When converting direct current (DC) of fuel cell power source into AC, the power converter has a frequency ripple, which affects the fuel cell and the grid. Therefore, an equivalent circuit having dynamic characteristics of fuel cell power, for example, impedance, is useful for designing an inverter circuit. In this study, the current, voltage and impedance characteristics were calculated through fuel cell modeling and validated by comparing them with experiments. The equivalent circuit element values according to the current density were formulated into equations so that it could be applied to the circuit design. It is expected that the process of the equivalent circuit modeling will be applied to the actual inverter circuit design and simulated fuel cell power sources.
Kim, Han-Sang;Min, Kyoung-Doug;Jeon, Soon-Il;Kim, Soo-Whan;Lim, Tae-Won;Park, Jin-Ho
New & Renewable Energy
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v.1
no.4
s.4
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pp.43-48
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2005
This study presents the integrated modeling approach to simulate the proton exchange membrane [PEM] fuel cell system for vehicle application. The fuel cell system consisting of stack and balance of plant (BOP) was simulated with MATLAB/Simulink environment to estimate the maximum system power and investigate the effect of BOP component sizing on system performance and efficiency. The PEM fuel cell stack model was established by using a semi-empirical modeling. To maximize the net efficiency of fuel cell system, multi-variable optimization code was adopted. Using this method, the optimized operating values were obtained according to various system net power levels. The fuel cell model established was co-linked to AVL CRUISE, a vehicle simulation package. Through the vehicle simulation software, the fuel economy of fuel cell powered electric vehicle for two types of driving cycles was presented and compared. It is expected that this study can be effectively employed in the basic BOP component sizing and in establishing system operation map with respect to net power level of fuel cell system.
Kim, Han-Sang;Min, Kyoung-Doug;Jeon, Soon-Il;Kim, Soo-Whan;Lim, Tae-Won;Park, Jin-Ho
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2005.11a
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pp.541-544
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2005
This study presents the integrated modeling approach to simulate the proton exchange membrane (PEM) fuel cell system for vehicle application. The fuel cell system consisting of stack and balance of plant (BOP) was simulated with MATLAB/Simulink environment to estimate the maximum system power and investigate the effect of BOP component sizing on system performance and efficiency. The PEM fuel cell stack model was established by using a semi-empirical modeling. To maximize the net efficiency of fuel cel1 system, multi-variable optimization code was adopted. Using this method the optimized operating values were obtained according to various system net power levels. The fuel cell model established was co-linked to AVL CRUISE, a vehicle simulation package. Through the vehicle simulation software, the fuel economy of fuel cell powered electric vehicle for two types of driving cycles was presented and compared. It is expected that this study tan be effectively employed in the basic BOP component sizing and in establishing system operation map with respect to net power level of fuel cell system.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.66
no.6
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pp.968-974
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2017
In this paper, modeling of brushless DC motor (BLDC) driving system for platform screen door control applied fuel cell power generation system has been proposed. At first the system configuration and operational principle of the developed fuel cell simulator has been investigated and the design of BLDC motor driving system is studied and the overall performance and dynamics of the proposed system could be effectively examined by simulation. PSIM simulation program is implemented to verify the performance and compatibility of the fuel cell power generation system and BLDC motor control system modeling.
This study focuses on the optimal operation and control strategy of the fuel cell process. The control objective of the Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) is established and dynamic modeling equations of the entire fuel cell process are formulated as discrete-time type. On-line optimal control of the MIMO system employs the direct decomposition-coordination method. The objective function is modified as the tracking form to enhance the response capability to the load change. The weight factor matrices Q,R, which are design parameters, are readjusted. This control system is compared with LQI method and the results show that the suggested method is better than the traditional method in pressure difference control.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.58
no.1
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pp.93-99
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2009
In this paper, transient voltage response of Polmer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) stack is analyzed and voltage dynamic characteristic is modeled for optimal design of power conditioning system (PCS). According that the load is changed, the corresponding operating voltage of fuel cell stack is also varied with a certain deep and rising time due to the chemical and mechanical responses. This transient behavior can affect on the operation with respect of PI gain in controller, duty ratio, capacitor of capacitor and so on. So in this paper the detailed theoretical analysis of transient voltage dynamics is explained and the methodology of dynamic modeling is introduced. In addition, the validity and feasibility of the proposed dynamic model is verified by experimental results under various load conditions.
Park, Bong-Hee;Choi, Ju-Yeop;Choy, Ick;Lee, Sang-Cheol;Lee, Dong-Ha
Journal of the Korean Solar Energy Society
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v.34
no.1
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pp.91-97
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2014
This paper proposes a modeling of fuel cell which replaces dc source during simulation. Fuel cells are electrochemical devices that convert chemical energy in fuels into electrical energy. This system has high efficiency and heat, no environmental chemical pollutions and noise. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are commonly used as a residential generator. These fuel cells have different electrical characteristics such as a low voltage and high current compared with solar cells. And there are different behaviors in the V-I curve in the temperature and pressure. Therefore, the modeling of fuel cell should consider wide voltage range and slow current response and the resulting electrical model is applied to boost converter with fuel cell as an input source.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.14
no.5
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pp.65-72
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2006
In new generation vehicle technologies, a fuel cell vehicle becomes more important, by virtue of their emission merits. In addition, a fuel cell is considered as a major source to generate the electricity for vehicles in near future. This paper focuses on modeling of not only an electric vehicle and but also a fuel cell vehicle to estimate performances. And an EV cart is manufactured to verify the modeling. Speed, voltage, and current of the vehicle and modeling are compared to estimate them at acceleration test and driving mode test. The estimations are also compared with the data of the Ballard Nexa fuel cell stack. In order to investigate a fuel cell based vehicle, motor and fuel cell models are integrated in a electric vehicle model. The characteristics of individual components are also integrated. Calculated fuel cell equations show good agreements with test results. In the fuel cell vehicle simulation, maximum speed and hydrogen fuel consumption are estimated. Even though there is no experimental data from vehicle tests, the vehicle simulation showed physically-acceptable vehicle characteristics.
Kim, Jong-Soo;Choe, Gyu-Yeong;Kang, Hyun-Soo;Lee, Byoung-Kuk
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.57
no.9
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pp.1563-1571
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2008
In this paper, dynamics modeling of a PEMFC is performed by electro-chemical equations. The developed PEMFC simulation model is implemented using MATLAB Simulink in order to design an optimal PCS for fuel cell systems. In addition, by use of the developed model as an input source of PCS, the validity of the proposed dynamic characteristic model of the PEMFC is verified by various simulation and experimental results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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