Development of control systems and state observers for efficiency and durability improvement in pem fuel cell based systems
- Autores: Julio Alberto Luna Pacho
- Directores de la Tesis: María Serra Prat (dir. tes.), Attila Peter Husar (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Cristian Kunusch (presid.), Ramón Costa Castelló (secret.), Alessandro Pisano (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Automática, Robótica y Visión por la Universidad Politécnica de Catalunya
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
Las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM), las cuales utilizan hidrógeno como combustible, proporcionan altas densidades de potencia operando a bajas temperaturas, reduciéndose el coste de los materiales y el mantenimiento. Las pilas de combustible de tipo PEM son apropiadas para un amplio rango de aplicaciones, tales como estacionarias, de ciclo combinado (CHP), sistemas portátiles y automoción. El rendimiento y la degradación en sistemas basados en pilas de combustible de tipo PEM están importantemente influenciados por las condiciones internas.
En la presente tesis doctoral, se realiza un extenso estudio de modelado y estrategias de observación y control en un sistema basado en pila de combustible de tipo PEM. El objetivo es obtener soluciones avanzadas de control que ayuden en la mejora de la durabilidad e incrementar la eficiencia de las pilas de combustible. Dichas soluciones de control tienen que tener en cuenta las condiciones internas de la pila de combustible, y utilizar esta información para operar el sistema bajo condiciones que garanticen que la degradación del sistema no se incrementa. Al mismo tiempo, los controladores deben garantizar que el sistema alcanza altas eficiencias, considerando las pérdidas por consumos parasíticos de los auxiliares del balance de la planta (BoP). Las soluciones de observación y control son evaluadas utilizando el perfil de conducción New European Driving Cycle (NEDC).
La primera parte de la tesis introduce la motivación tras el presente trabajo y la estructura del documento. Se estudia en detalle el estado actual de la investigación referente a modelado, observadores de estados y estrategias de control para sistemas basados en pilas de combustible. Tras este estudio del estado del arte, se presentan los objetivos de la tesis.
La segunda parte de la tesis está enfocada en el desarrollo, implementación y estudio en un entorno de simulación de un modelo de sistema basado en pila de combustible de tipo PEM. El modelo considera derivadas espaciales para representar el comportamiento de la dinámica interna de la pila. Dicha dinámica interna afecta la eficiencia y el grado de degradación del sistema. En la presente tesis, la degradación de la capa catalizadora se ve reflejada en la pérdida de área de la superficie electroquímicamente activa (ECSA). La ECSA en la capa catalizadora del cátodo (CCL) se modela utilizando un modelo bifásico de agua en el lado catódico de la pila, con el objeto de representar fielmente su efecto en el voltaje de salida.
Una vez que las ecuaciones del modelo son presentadas, observadores no-lineales de parámetros distribuidos (NDPO) basados en modelo se desarrollan en la tercera parte del presente trabajo. Primero, las ecuaciones en derivadas parciales (PDE) de la pila de combustible de tipo PEM son discretizadas y reformuladas para obtener el modelo de observación.
Utilizando este modelo, se presentan y comparan dos novedosos enfoques de control por modos deslizantes (SMC) para la observación de las condiciones internas de la pila de combustible.
La cuarta parte de la presente tesis está dedicada al control predictivo basado en modelos del sistema de pila de combustible de tipo PEM. En particular, se propone una estrategia de controlador predictivo no-lineal basado en modelo (NMPC) para la mejora de la eficiencia y a la vez, la mejora del ciclo de vida de la pila de combustible. El uso de los NDPOs en el esquema de control suministra información crítica acerca de las condiciones internas en la pila de combustible. Este hecho permite el diseño de objetivos de control avanzados que no serían realizables utilizando únicamente las limitadas mediciones que están disponibles en los sistemas basados en pilas de combustible de tipo PEM.
La quinta y última parte de la tesis está dedicada a la extracción de conclusiones.
