Control and design of pem fuel cell-based systems

• Autores: Diego Hernán Feroldi
• Directores de la Tesis: María Serra Prat (dir. tes.), Jordi Riera i Colomer (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2009
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Carles Batlle i Arnau (presid.), Ramón Costa Castelló (secret.), Michel Perrier (voc.), Félix Manuel Barreras Toledo (voc.), Carlos Bordóns Alba (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Química física
      • Teoría de las células de combustible
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de los ordenadores
      • Dispositivos de control
    • Tecnología de la instrumentación
      • Tecnología de la automatización
      • Ingeniería de control
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en:  TDX  Digital CSIC 
• Resumen

  • 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.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.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.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.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.