Development of control systems and state observers for efficiency and durability improvement in PEM fuel cell based systems

Abstract

Proton exchange membrane (PEM) fuel cells, which use hydrogen as fuel, provide high power densities while operating at lower temperatures, reducing the cost of materials and maintenance. PEM fuel cells are suitable for a broad range of applications, such as stationary, combined heat and power (CHP), portable systems and automotive. Performance and degradation in PEM fuel cell-based systems is greatly influenced by the internal conditions of the fuel cell. In this doctoral thesis, an extensive study of modelling, observation and control strategies of a PEM fuel cell-based system is performed. The objective is to obtain advanced control solutions that aid to enhance the durability and improve the efficiency of fuel cells. These control solutions have to take into account the internal conditions of the fuel cell and use this information to operate the system under conditions that guarantee that the degradation rate of the fuel cell is not increased. At the same time, the controllers have to guarantee that the system achieves high efficiencies, considering the parasitic power consumption of the balance of plant (BoP) ancillaries. The observation and control solutions are evaluated using the New European Driving Cycle (NEDC) profile as a case study. The first part of the thesis introduces the motivation of the present work and the structure of the document. Additionally, the current state of the research regarding modelling, state observers and control strategies for PEM fuel cell-based systems are studied in detail. After the study of the state of the art, the objectives of this doctoral work are presented. The second part of the thesis is focused on the development, implementation and study in a simulation environment of a PEM fuel cell-based system model. The model considers spatial derivatives for the fuel cell in order to represent the internal dynamic behaviour, which affects the efficiency and degradation rate of the system. In this thesis, a special attention is given to the electrochemically active surface area (ECSA). The ECSA in the cathode catalyst layer (CCL) is modelled using a twophase water model at the cathode side of the fuel cell to better represent its effect on the output voltage. The BoP ancillaries are considered as a parasitic power consumption that has to be delivered by the fuel cell. The most relevant parasitic power consumption is that of the compressor, which is modelled to include its dynamic behaviour in the control strategies. Once the model equations are presented, model-based nonlinear distributed parameters observers (NDPO) are developed in the third part of the thesis. First, the partial differential equations (PDE) of the PEM fuel cell-based system are discretised and reformulated to obtain the observation model. Using this model, two novel sliding mode control (SMC) approaches for the observation of the internal conditions of the fuel cell are presented and compared, using the NEDC current profile as the case study for the simulations. The fourth part of the thesis is devoted to model-based predictive control of the PEM fuel cell-based system. In particular, a nonlinear model predictive control (NMPC) strategy is proposed to improve the efficiency and at the same time, enhance the lifetime of the fuel cell. The use of the NDPOs in the control scheme facilitates critical information about the internal conditions of the fuel cell. This allows to design advanced control objectives that would not be achievable if using only the limited measurements that are available in PEM fuel cell-based systems. A multi-objective cost function that can prioritise between the different objectives of the controller during the optimisation procedure is designed. Finally, a discussion of the results obtained comparing different prioritisation between control objectives is provided. The fifth and last part of the thesis is devoted to extract conclusions.

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.