زیردریایی های متداول امروزی معمولا دارای یک سیستم دیزل- الکتریکی (ترکیب یک موتور از نوع دیزل به همراه باطری‏های قابل شارژ) می باشند. به منظور شارژ باطری ها، زیردریایی، می بایست به فراوانی بر روی سطح آب آمده تا توسط ژنراتور (بوسیله موتور دیزل تنفس هوایی متصل به آن) شارژ گردد. در این شرایط احتمال ردیابی و آسیب به زیردریایی به شدت وجود دارد. با توجه به این موضوع، سیستم های پیشرانش مستقل از هوای محیط (aip) امروزه در حالت توسعه و تحقیق می باشند. در پایان نامه حاضر یک سیستم پیشران هیبرید پیل سوختی-الکتریکی برای کاربردهای دریایی و به خصوص زیردریایی ها طراحی و مدل سازی شده است. طراحی و مدل سازی این سیستم با استفاده از امکانات برنامه نویسی نرم افزار متلب انجام شده و شبیه سازی آن در محیط سیمولینک این نرم افزار صورت گرفته است. مدل سازی انجام شده یک مدل نیمه تجربی است. تحقیق حاضر در دو بخش ارائه شده است. ابتدا سیستم مورد نیاز برای بکارگیری پیل سوختی پلیمری در سیستم پیشرانش یک زیردریایی با دامنه توان مشخص طراحی می‏شود. با مشخص بودن اجزاء بکار رفته در این سیستم، معادلات حاکم که شامل معادلات الکتروشیمیایی و حرارتی- سیالاتی است به صورت کلی برای اجزای مختلف سیستم استخراج و مدلسازی شده به گونه ای که مدل توسعه یافته قادر به تعیین پارامترهای ترمودینامیکی و الکتروشیمیایی در شرایط عملکردی مختلف سیستم پیشرانش می باشد. در این بخش استک پیل سوختی و اجزای جانبی و زیرسیستم های مورد نیاز برای کارکرد همراه استک مورد مطالعه قرار می‏گیرد. بدین منظور نحوه عملکرد هر کدام از این اجزا و تأثیر پارامترهای مهم از جمله دما و فشار بر عملکرد هر کدام به خصوص استک پیل سوختی که به منزله قلب سسیتم است، مورد بررسی قرار می گیرد. اجزایی که توان اضافی مصرف می کنند از جمله این قسمت ها هستند. در قسمت دوم با استفاده از معادلات بدست آمده و شبیه سازی آنها در محیط سیمولینک نرم افزار متلب رفتار سیستم هیبرید مورد بررسی قرار گرفته است. رفتار سیستم با تغییر بار و اندرکنش بین باطری و پیل سوختی به منظور کنترل سیستم از نتایج این تحقیق استخراج گردیده است. شبیه سازی سیستم طراحی شده به کاربر امکان مشاهده اثر تغییرات هر یک از پارامترها بر نتیجه نهایی و راندمان سیستم را می دهد که این امر امکان طراحی بهتر و دقیق تر را قبل از ساخت فراهم می کند. نتایج نشان می دهد که تغییر برخی پارامترها مانند فشار و دما بر راندمان سیستم اثر قابل توجهی دارد. کنترلر دما از افزایش بیش از اندازه دمای سیستم و در نتیجه آسیب دیدن آن جلوگیری می کند. همچنین با استفاده از سیستم کنترلی مناسب برای توان، سیستم های پیشران با قابلیت مانورپذیری بالاتر قابل دستیابی است.

در محیط هایی که شرایط محدود کننده مانع از بکارگیری هوا در سیستم پیشرانش شده است، از منابع انرژی مستقل از هوا استفاده می شود. در این منابع اکسیژن خالص جایگزین هوای محیط شده است. ضعف در تکنولوژی، افزایش فضای اشغال شده، زمان کارکرد کوتاه و امکان رهگیری مجموعه پیشران سبب شده است تا رویکرد جدیدی جهت تأمین توان الکتریکی سیستم های پیشران مستقل از هوا بوجود آید. از این رو در جدیدترین پژوهش ها، از مجموعه های هیبرید پیل سوختی-باتری برای تامین توان الکتریکی پیشرانه های مستقل از هوا استفاده شده است. در سیستم های هیبرید، کنترل پارامترهای موثر بر منابع انرژی، از میان برداشتن محدودیت های آنها و افزایش توان، بازده و زمان کارکرد مجموعه انرژی میّسر شده است. علاوه بر این ایمنی، بازده، عدم وجود قطعات متحرک، تامین شرایط محدودیت دسترسی به هوای محیط و دمای کاری پایین از جمله بارزترین قابلیت هایی است که در سیستم های پیل سوختی پلیمری مستقل از هوا مورد توجه قرار گرفته است. در این پایان نامه مدلی جامع از سیستم هیبرید پیل سوختی-باتری مستقل از هوا ارائه شده است. در این مجموعه (بوسیله نرم افزار سیمولینک متلب) مدلی کلی و دینامیک از پیل سوختی پلیمری مستقل از هوا ارائه می شود. علاوه بر این، برای باتری لیتیوم آیون از مدل پیش فرض نرم افزار سیمولینک متلب استفاده شده است.جهت مدل سازی مجموعه پیل سوختی، دو مدل از سیستم پیل سوختی ارائه می شود. در مدل اول از هوا و هیدروژن و در مدل دوم از اکسیژن و هیدروژن به عنوان مواد واکنش دهنده استفاده شده است. در مدل دوم شیر کنترل دبی جرمی اکسیژن جایگزین کمپرسور هوا شده است. در این مدل از شیرخالص ساز جهت مطابقت فشار های آند و کاتد، افزایش عمرکاری، کنترل نرخ های استوکیومتریک و افزایش زمان کارکرد مجموعه پیل سوختی استفاده شده است. در نهایت با توجه به زیر سیستم های ارائه شده و طراحی، مدلسازی و تدوین استراتژی کنترل مناسب برای سیستم پیشرانش هیبرید پیل سوختی– باتری مستقل از هوا، مدلی جامع از مجموعه هیبرید طراحی شده است. بوسیله تعبیه واحد کنترل هیبرید، منابع انرژی با توان الکتریکی درخواست شده در ارتباط قرار گرفته اند. در این واحد بر اساس حالت شارژ باتری، بازده پیل سوختی و مقایسه توان الکتریکی درخواستی با توان الکتریکی پیل سوختی، میزان توان الکتریکی برداشت شده از منابع انرژی مشخص می شود. در مدل طراحی شده (بر اساس توان درخواستی از مجموعه هیبرید) اثرگذاری و اثرپذیری کلیه پارامترها بر روی یکدیگر قابل مشاهده و بررسی می باشد. از این رو بر اساس مدل طراحی شده تغییرات پارامترهای فشارهای آند و کاتد، فشارهای جزئی اکسیژن و هیدروژن و بخارآب، رطوبت نسبی، نسبت رطوبت، جریان و ولتاژ الکتریکی و غیره به صورت دینامیکی رهگیری شده اند. در طی این فرآیند باتری در حالت عملیاتی قرار گرفته و بازده پیل سوختی در مقادیر فراتر از 53% نگهداری شده است. اعتبارسنجی بر اساس مدل استک پیل سوختی (به عنوان قلب سیستم) با هوای ورودی به کاتد انجام شده است. تأیید نتایج این مدل در قالب حالت های پایا و دینامیک، حاکی از الگوریتم صحیح استفاده شده برای مدل می باشد. بدلیل تاثیر پارامتر های مختلف ترمودینامیکی، الکتریکی و کنترلی بر روی نتایج خروجی و گستردگی مدل طراحی شده، اختلاف محدودی میان نتایج بدست آمده از مدل سازی و نتایج مرجع دیده شده است.

چکیده در پایان نامه حاضر یک خودرو هیبرید الکتریکی- پیل سوختی با سوخت هیدروژن مدل سازی شده است. مدل سازی این خودرو با استفاده از امکانات نرم افزار advisor که از مزایای انعطاف پذیری مدل سازی simulink و قدرت تحلیل matlab بهره می برد، انجام شده است. تحقیق حاضر در دو بخش ارائه شده است. ابتدا استک پیل سوختی پلیمری با استفاده از نرم افزار matlab مدل سازی شده است. مدل سازی انجام شده یک مدل نیمه تجربی است. معادلات حاکم که شامل معادلات الکتروشیمیایی و حرارتی- سیالاتی می باشد به صورت یک حجم کنترل نوشته شده است. مدل سازی به گونه ای است که مدل توسعه یافته قادر به تعیین پارامترهای ترمودینامیکی و الکتروشیمیایی در شرایط عملکردی مختلف سیستم پیشرانش می باشد. بدین منظور تأثیر پارامترهای مهم از جمله دما، فشار و ضریب انتقال بار بر عملکرد استک پیل سوختی مورد بررسی قرار می گیرد. نتایج تأثیر بیشتر اثر دما نسبت به فشار بر ولتاژ خروجی و در نهایت بازده پیل سوختی را نشان می دهد. در قسمت دوم با استفاده از نرم افزار advisor یک خودرو سمند ال ایکس با سیستم هیبرید پیل سوختی مدل سازی شده است. برای خودرو فوق مدل بدنه و چرخ ها با در نظر گرفتن کلیه پارامترهای مربوط به آن ها به نرم افزار اضافه شده است. در ادامه عملکرد خودرو هیبرید الکتریکی- پیل سوختی شامل تلفات انرژی اجزاء مختلف سیستم، مصرف سوخت و بازده سیستم هیبرید و خودرو در چرخه های حرکت مختلف در دو حالت راه اندازی گرم و سرد مورد بررسی قرار گرفته و با نمونه احتراق داخلی خود مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد که تقریباً نیمی از کل تلفات در سیستم پیل سوختی اتفاق می افتد و در راه اندازی گرم نسبت به راه اندازی سرد حدود 95% از کل کاهش تلفات انرژی در سیستم پیل سوختی است. با توجه به چرخه های حرکت مورد استفاده مصرف سوخت خودرو هیبرید الکتریکی- پیل سوختی حدود 40 تا 55 درصد نسبت به نمونه احتراق داخلی کاهش و بازده سیستم در خودرو هیبرید الکتریکی- پیل سوختی نسبت به نمونه احتراق داخلی حدود 91 تا 147 درصد افزایش یافته است. بیشترین بازده سیستم پیل سوختی در چرخه های حرکت فوق حدود 47% است. نتایج آزمون شتاب و شیب نشان می دهد که بهترین حالت استفاده از سیستم هیبرید می باشد و بیشترین انرژی توسط باتری تأمین می شود. با استفاده از این آزمون مشخص شد که در خودرو هیبرید الکتریکی- پیل سوختی علاوه بر کاهش مصرف سوخت و افزایش بازده از نظر آزمون های عملکردی سرعت، شتاب و شیب قابل رقابت با نمونه احتراق داخلی خود می باشد. در بررسی آلاینده ها مشخص شد که آلاینده های خروجی از سیستم هیبرید الکتریکی- پیل سوختی با سوخت هیدرو‍ژن صفر می باشد و محصول واکنش الکتروشیمیایی هوا و هیدروژن، آب و گرما است.

در آینده ای نزدیک، هواپیماها مقادیر بیشتری توان الکتریکی را نسبت به هواپیماهای کنونی مصرف کرده و قوانین زیست محیطی سختگیرانه تری به منظور جلوگیری از انتشار آلاینده ها برای آنها وضع خواهد شد. این اهداف نیازمند بکارگیری سیستم جدیدی برای تولید توان در هواپیماها می باشد که توان الکتریکی بیشتری به همراه آلاینده های جوی کمتر تولید کرده و از نظر اقتصادی نیز به صرفه باشد. سیستم هیبریدی پیل سوختی اکسید جامد-توربین گاز (sofc apu) به عنوان واحد تولید توان کمکی در هواپیماهای نسل جدید که دارای زیر سیستم های الکتریکی بیشتری بوده و به نام هواپیماهای بیشتر الکتریکی معروفند، جایگزین واحد تولید توان کمکی هواپیماهای(apu) کنونی که راندمان کمتر(کمتر از 20 درصد) و آلاینده های بیشتری تولید می کنند، خواهد شد. در پایان نامه حاضر به مدل سازی ترمودینامیکی یک سیکل هیبریدی توربین گاز مجهز به پیل سوختی اکسید جامد پرداخته شده است. کلیه اجزا سیستم ترکیبی به صورت جداگانه به کمک روابط ترمودینامیکی مدل سازی شده است. پیل سوختی اکسید جامد نیز به طور مجزا توسط پارامترهای الکتروشیمیایی که به صورت توابعی از حالات ترمودینامیکی درآمده مدل شده است. مدل سازی سایر اجزاء سیکل به گونه ای انجام شده است که شرایط ورودی و خروجی جریان هر یک مشخص شده و اثر متقابل آنها درسیکل بر یکدیگر لحاظ شده است. سپس اثرات پارامترهای مختلف از جمله چگالی جریان، فشار، دما و فاکتور مصرف سوخت پیل سوختی اکسید جامد بر راندمان سیستم، توان و تخریب اکسرژی بررسی شده است. به همین منظور کد محاسباتی در محیط ترمودینامیکی نرم افزار ees تهیه شده است. نتایج نشان می دهند که استفاده از سیستم هیبریدی باعث افزایش قابل توجه راندمان به میزان 65 درصد و توان تولیدی 105/4 کیلووات در نقطه طراحی می شود، و همچنین از میزان تخریب اکسرژی سوخت می کاهد. برای اعتبار سنجی کد حاضر، نتایج مدل سازی ریفورمر سوخت جت، پیل سوختی و سیستم هیبریدی با نتایج موجود در مراجع مقایسه شده و صحت کد حاضر تایید می شود.