Control and design of pem fuel cell-based systems
Authors:   , Feroldi Diego Hernán 
Published: October 2023

Las pilas de combustible son muy ventajosas debido a su alta eficiencia en la conversión de energía y nula contaminación. En esta tesis se realiza un extenso estudio sobre el control y diseño de sistemas de generación eléctrica basados en pilas de combustible. El núcleo principal de la misma son los sistemas híbridos con pilas de combustible y supercapacitores como elementos almacenadores de energía, orientado a aplicaciones automotrices. La determinación del Grado de Hibridización (i.e. la determinación del tamaño de la pila de combustible y del número de supercapacitores) se realiza mediante una metodología propuesta con el objetivo de satisfacer requisitos de conductibilidad y consumiendo la menor cantidad de hidrógeno posible.<br/><br/>El proceso de diseño comienza con la determinación de la estructura eléctrica de generación del vehículo y utiliza un modelo detallado realizado en ADVISOR, una herramienta para modelado y estudio de sistemas híbridos. Se analiza el flujo de energía a través de los componentes del vehículo cuando el vehículo sigue diferentes ciclos de conducción estándares, mostrando las pérdidas en cada componente que degradan la eficiencia del sistema y limitan la recuperación de energía de frenado. Con respecto a la recuperación de energía, se ha definido y analizado un parámetro que cuantifica la cantidad de energía que realmente es reaprovechada: el ratio frenado/hidrógeno.<br/><br/>Para controlar el flujo de energía entre la pila de combustible, los almacenadores de energía y la carga eléctrica, se proponen tres Estrategias de Gestión de Energía (EMS) para Vehículos Híbridos con Pila de Combustible (FCHVs) basadas en el mapa de eficiencia de la pila y se validan mediante un montaje experimental desarrollado para emular el sistema híbrido. Los resultados de consumo de hidrógeno son comparados con dos referencias: el consumo correspondiente al caso del vehículo sin hibridización y el caso óptimo con el menor consumo para el vehículo propuesto. El consumo óptimo se calcula mediante una metodología propuesta que, a diferencia de otras, evita la discretización de las variables de estado.<br/><br/>Para operar el sistema eficientemente, la pila de combustible es controlada mediante una metodología de control, basada en Control de Matriz Dinámica (DMC). Esta metodología de control utiliza como variables de control el voltaje de compresor y una nueva variable propuesta: la apertura de una válvula proporcional ubicada a la salida del cátodo. Los objetivos de control son controlar el exceso de oxígeno en el cátodo y el voltaje generado por la pila. Se analiza tanto en régimen estacionario como transitorio las ventajas de emplear esta nueva variable de control y se muestran resultados de funcionamiento por simulación del controlador ante perturbaciones en la corriente de carga.<br/><br/>Por otro lado, se aborda el diagnóstico y el control tolerante a fallos del sistema basado en pila de combustible proponiendo una metodología de diagnóstico basada en las sensibilidades relativas de los fallos y se muestra que la estructura de control con las dos variables propuestas tiene buena capacidad de rechazo a fallos en el compresor cuando se controla el exceso de oxígeno en el cátodo.

The use of fuel cell systems based on hydrogen is advantageous because of their high efficiency in the energy conversion and null emissions. In this thesis, an extensive study about the control and design of electrical generation systems based on fuel cells is performed. The main focus is in hybrid systems composed of fuel cells and supercapacitors as energy storage elements, oriented to automotive applications. The determination of the hybridization degree (i.e. the determination of the fuel cell size and the number of supercapacitors) is performed through a proposed methodology with the objective to fulfil the conductibility requirements and to consume the lowest amount of hydrogen.<br/><br/>The process of design starts with the determination of the electrical structure and utilizes a detail model developed using ADVISOR, a MATLAB toolbox for modelling and studying hybrid vehicles. The energy flow between the vehicle components is analyzed when the vehicle is tested with different Standard Driving Cycles, showing how the losses in each component degrade the efficiency of the system and limit the energy recovery from braking.<br/><br/>With regard to the energy recovery, a parameter to quantify the amount of energy that is actually reused is defined and analyzed: the braking/hydrogen ratio.<br/>To control the energy flow between the fuel cell, the energy storage system, and the electrical load in Fuel Cell Hybrid Vehicles (FCHVs), three Energy Management Strategies (EMSs) based on the fuel cell efficiency map are presented and validated through an experimental setup, which is developed to emulate the FCHV. The resulting hydrogen consumptions are compared with two references: the consumption of the pure fuel cell case, a vehicle without hybridization, and the optimal case with the minimum consumption. The optimal consumption for a given vehicle is determined through a methodology proposed that, unlike other previous methodologies, avoids the discretization of the state variables.<br/><br/>To operate the fuel cell system efficiently, the system is controlled through a proposed control technique, which is based on Dynamic Matrix Control (DMC). This control technique utilizes the compressor voltage as control variable and also a new proposed variable: the opening area of a proportional valve at the cathode outlet. The control objectives are the control of the oxygen excess ratio at the cathode and the fuel cell voltage. The advantages of this new control variable are analyzed both in steady state and transient state. Simulation results show and adequate performance of the controller when a series of step changes in the load current is applied.<br/><br/>On the other hand, the diagnosis and fault-tolerant control of the fuel cell-based system is approached. A diagnosis methodology based on the relative fault sensitivity is proposed. The performance of the methodology to detect and isolate a set of proposed failures is analyzed and simulation results in an environment developed to include the set of faults are given. The fault-tolerant control is approached showing that the proposed control structure with two control variables has good capability against faults in the compressor when the oxygen excess ratio in the cathode is controlled.