[ca] Aquesta tesi es dedica principalment a l'estudi de l'electròlisi alcalina d'alta pressiò. L'electròlisi alcalina és una tecnologia ben establerta i està disponible comercialment. Tanmateix, no s'ha investigat completament el funcionament a alta pressiò per a la distribuciò de compressors. A més, falten models dinàmics i publicacions relacionades amb les estratègies de control. Per tant, aquesta tesi contribueix especialment en el modelatge i control d'electrolitzadors alcalins d'alta pressió per tal de millorar la puresa dels gasos produïts. La tesi s'emmarca dins d'una idea general sobre la renovada preocupació per la cura del medi ambient, que consisteix a reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle sense sacrificar les comoditats modernes. Una proposta generalitzada es centra en l'energia produïda a partir de fonts renovables i el seu posterior emmagatzematge i transport basat en hidrogen. Actualment, aquest gas s'aplica a la indústria química i la seva producció es basa en combustibles fòssils. La introduccio d'aquest vector energètic requereix el desenvolupament de mètodes respectuosos amb el medi ambient per obtenir-lo. Es presenten les tècniques existents i es centra principalment en l'electròlisi, un procediment madur. Al seu torn, es presenten algunes propostes desenvolupades com a passos previs a l'economia de l'hidrogen. A més, es comenten algunes línies de recerca per millorar la tecnologia d'electròlisi. Posteriorment, es proposa un model semifísic de base fenomenològica per a un electrolitzador alcalí auto-pressuritzat. El model, basat en els balanços de massa i energia, representa el comportament dinàmic de la producció d'hidrogen i oxigen mitjançant electròlisi. El model permet anticipar variables operatives com a respostes dinàmiques en les concentracions de la cèl·lula electrolítica i variacions en el nivell i la pressió de les cambres de separació de gas a causa del canvi de corrent elèctric. Els paràmetres del model s'han ajustat en funció de mesures experimentals obtingudes en d'un prototip disponible i mitjançant un procés d'identificació adequat. Els resultats de la simulació repliquen la resposta dinàmica actual del conjunt experimental d'electrolitzador auto-pressuritzat. Aquest model demostra ser útil per millorar el control de la taxa de producció de gas en aquest tipus d'assemblatges, tant com a plataforma de simulació validada com a font de models d'ordre reduït per al disseny de control basat en models. Posteriorment, aquesta tesi presenta dues estratègies de control que mitiguen la contaminació creuada de H2 i O2 en un electrolitzador alcalí d'alta pressió, que en conseqüència augmenta la puresa subministrada dels gasos: una basada en un esquema de PI desacoblat i l'altra basada en un esquema de control òptim. Per tal de reduir la difusió de gasos a través de la membrana, els controladors estableixen l'obertura de dues vàlvules de sortida en funció de la pressió del sistema i de la diferència de nivell de líquid entre les dues cambres de separació. Per tant, es dissenyen dos controladors d'entrada i sortida múltiple. Amb aquest propòsit, el model d'alta fidelitat esmentat anteriorment s'ha simplificat per obtenir un model orientat al control. Els controladors proposats han estat avaluats en simulació mitjançant el model no lineal d'alta fidelitat en un ampli rang operatiu, el qual ha resultat en una impuresa de gasos inferior a 1%. A més, es van realitzar assajos al electrolitzador prototip on es va constatar el funcionament de l'control PI, obtenint inclusivament millors resultats, amb una contaminació màxima de 0,2%.

[en] This thesis is mainly dedicated to the study of high-pressure alkaline electrolysis. Alkaline electrolysis is a well established technology and is commercially available. However, the operation at high pressure for dispensing compressors was not fully investigated. Moreover, there is a lack of dynamic models and publications related to control strategies. Therefore, this thesis contributes especially in the modelling and control of high pressure alkaline electrolyzers in order to improve purity of produced gases. The thesis is framed within a general idea about the renewed concern for the care of the environment, which involves reducing greenhouse gas emissions without sacrificing modern comforts. Widespread proposal focuses on energy produced from renewable sources and its subsequent storage and transportation based on hydrogen. Currently, this gas applies to the chemical industry and its production is based on fossil fuels. The introduction of this energy vector requires the development of environmental-friendly methods for obtaining it. Existing techniques are presented and the main focus is made on electrolysis, a mature procedure. In turn, some developed proposals as previous steps to the hydrogen economy are presented. Moreover, some lines of research to improve electrolysis technology are commented. Afterwards, a phenomenological-based semiphysical model for a self-pressurized alkaline electrolyzer is proposed. The model, based on mass and energy balances, represents the dynamic behavior of hydrogen and oxygen production using electrolysis. The model allows to anticipate operational variables as dynamic responses in the concentrations of the electrolytic cell, and variations in both, level and pressure, at the gas separation chambers due to the change in electric current. The model parameters have been adjusted based on experimental measurements taken from an available prototype and through a suitable identification process. Simulation results replicate the current dynamic response of the experimental self-pressurized electrolyzer assembly. This model proves to be useful in the improvement of the control of gas production rate in this kind of assemblies, both as a validated simulation platform and as a source of reduced order models for model-based control design. Later, this thesis presents two control strategies that mitigate the cross contamination of H2 and O2 in a high-pressure alkaline electrolyzer, which consequently increases the supplied purity of the gases: one based on a decoupled PI scheme and the other based on optimal control tools. In order to reduce the diffusion of gases through the membrane, the controllers establish the opening of two outlet valves based on the pressure of the system and the difference in liquid level between both separation chambers. Therefore, two multiple input - multiple output controllers are designed. For this purpose, the high-fidelity model previously mentioned was simplified in order to obtain a control-oriented model. The proposed controllers were evaluated in simulation using the high-fidelity nonlinear model in a wide operating range, which resulted in less than 1% impurity of gases. In addition, tests were carried out in the prototype electrolyzer where the operation of the PI control was verified, obtaining even better results, with a maximum contamination of 0.2%.