Modelling and control of high-temperature proton exchange membrane fuel cells for combined heat and power comfort applications

Abstract

(English) In this thesis, a model predictive control-based energy management system for a specific house powered by a high temperature proton exchange membrane fuel cell is presented. Fuel cells and combined heat and power technologies are presented as a possible solution due to their ability to provide both electrical and thermal energy more efficiently compared to traditional methods. Related to this, high temperature proton exchange membrane fuel cells offer the possibility of implementing combined heat and power systems, and they are also considered an efficient technology that emits less greenhouse gases.

For this purpose, different models for the fuel cell are developed and analysed, until one suitable for simulation together with the other elements is selected. Models for elements in the whole combined heat and power system are designed and combined, that is, electrical battery, water accumulators, solar panel and electroliser. Solar panels have been included to feed an electroliser responsible of generating hydrogen for the fuel cell, while the electrical battery and a water accumulator have been implemented to ensure demand and thermal continuity along time, helping the fuel cell when dealing with abrupt demand changes. Additionally, grid connections have been allowed in case of punctual need, as well as a certain heat generation from electrical power. Simulation and control models of the system are presented, together with dimensions and energy profiles used. Control objectives and the proposed control algorithm are detailed, and the results when trying to match residential heat and power demands are discussed, while trying to ensure energy efficiency and reduce fuel cell degradation.

Finally, a tuning process based on Pareto fronts is studied to prioritise some objectives above others and the global system results are obtained for a typical simulated house in different scenarios. These scenarios have been selected based on different periods of the year with different thermal demands and climatic conditions, affecting both demands and solar panel operation.

(Català) En aquesta tesi es presenta un model de sistema de gestió d'energia basat en control predictiu per a una casa específica alimentada per una pila de combustible amb membrana d'intercanvi de protons d'alta temperatura. Les piles de combustible i les tecnologies de cogeneració es mostren com una possible solució a causa de la seva capacitat de proporcionar energia elèctrica i tèrmica de forma més eficient en comparació amb els mètodes tradicionals. En relació amb això, les piles de combustible amb membrana d'intercanvi de protons d'alta temperatura ofereixen la possibilitat d'implementar sistemes que combinen energia elèctrica i tèrmica, essent a la vegada una tecnologia eficient i amb menors emissions de gasos d'efecte hivernacle.

Per a aquest propòsit, s'han desenvolupat i analitzat diferents models per a la pila de combustible, fins que se n'ha seleccionat un d'adequat per a la seva simulació juntament amb els altres elements del sistema de cogeneració. Els models dels elements dels sistema global de cogeneració, bateria elèctrica, acumuladors d'aigua, panell solar i electrolitzador, han estat dissenyats i combinats. Els panells solars s'han inclòs per alimentar un electrolitzador responsable de generar l'hidrogen per a la cel·la de combustible, mentre que la bateria elèctrica i els acumuladors d'aigua s'han implementat per assegurar el compliment de la demanda i la continuïtat del sistema al llarg del temps, ajudant pila de combustible a fer front als canvis bruscos de demanda. A més a més, s'han permès connexions a la xarxa en cas de necessitat puntual, així com una certa generació de calor a partir d'energia elèctrica. A continuació, es presenten models per la simulació i control del sistema, juntament amb les dimensions i els perfils d'energia utilitzats. Es detallen els objectius de control i l'algorisme de control proposat, i es discuteixen els resultats quan intentant seguir la demanda elèctrica i tèrmica, intentant a la vegada garantir l'eficiència energètica i reduir la degradació de les piles de combustible.

Finalment, es detalla un procés d'ajust de paràmetres basat en fronts de Pareto per donar prioritat a alguns objectius per sobre d'altres i s'obtenen els resultats del sistema global per a una casa prototipus simulada en diferents escenaris. Aquests escenaris han estat seleccionat basant-se en diferents períodes de l'any amb diferents exigències tèrmiques i condicions climàtiques, afectant tant les demandes com el funcionament del panell solar.