Fuel cell modelling and control for hydrogen consumption optimization

Abstract

en Español:<br/>Se propone un modelo de FC basado en ecuaciones electroquímicas para predicción del exceso de oxígeno y de la temperatura de la pila, permitiendo además una conexión circuital con la carga. Así mismo, se presenta una técnica de modelado basada en Fuzzy, orientada a la emulación, obteniendo gran precisión con carga computacional reducida. Usando este último modelo se diseña e implementa un emulador. Estos modelos y el sistema de emulación fueron validados usando un sistema experimental.<br/>Adicionalmente, diferentes topologías de sistemas de potencia basados en FC se proponen y analizan, obteniendo un criterio de selección dependiendo de la aplicación. Así mismo, se presentan criterios de control para una operación segura y eficiente del sistema. Finalmente, se proponen una metodología para la caracterización de los puntos óptimos de operación, y una estructura de control para operar en esas condiciones óptimas, siendo validados en un sistema experimental representativo del estado del arte.

in English:<br/>A new FC modeling approach based on electrochemical equations for thermal and oxygen excess ration prediction with a circuit-based load connection is introduced. A fuzzy-based modeling technique is also proposed for emulation purposes, it reproducing the fuel cell dynamics with a high accuracy and a short computational time. The implementation of a fuel cell emulation system, based on this model, is described and analyzed. The models and the emulation system are experimentally validated by using a benchmark fuel cell system.<br/>Different topologies for fuel cell-auxiliary storage devices interaction are also proposed and analyzed, thus giving an architecture selection criterion based on the load profile. Controllers, dynamic constrains and control objectives are designed for a safe and efficient fuel cell operation. Finally, a methodology for the identification of the fuel cell optimal operation conditions has been proposed, and a control strategy for operating in that optimal profile is introduced and validated.