Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie électrique et électronique, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire d'électronique industrielle LEI)

An analytical, control-oriented state space model for a PEM fuel cell system

Grasser, Félix ; Rufer, Alfred (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3445.

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    Summary
    If fuel cell technology – with its inherent benefits of high efficiency and low emissions – is to be used in decentralised power sources, in mobile or transportation applications, the systems have to be able to adapt to fast load changes and varying operating conditions. In order to achieve such performance, the balance of plant systems – typically governed by an on-board system controller – need to dynamically supply the fuel cell stack with reactant gases at the right flow rates, pressures and humidities while keeping the fuel cell at its correct operating temperature. Since best overall system performance is achieved by using model-based controllers, an appropriate model is required to implement such controllers. This thesis provides a control-oriented state space model for a PEM fuel cell system. The model describes the effects of a user interaction with any of the balance of plant actuators on overall system performance. The system model is elaborated in a two-step process. In a first step, an analytical, steady state, cell-averaged, isothermal fuel cell stack model is developed. The model predicts the fuel cell voltage and membrane water content as a function of the stack's operating conditions – i.e. reactant flow rates, pressures and humidities as well as cell temperature. It provides an analytical expression to the overall water transport within the fuel cell stack. In the second step, dynamic state space models are developed for the balance of plant systems. They link the effects of the auxiliary systems' actuators to the evolution of the operating conditions for the fuel cell stack. In the context of this thesis, state space models for a non-pressurised air supply subsystem, for a recirculating, pressurised hydrogen supply subsystem and for a liquid cooled thermal management subsystem are elaborated. A dedicated fuel cell test bench has been developed that was used to experimentally validate the proposed models.
    Zusammenfassung
    Damit Brennstoffzellen, mit ihren inhärenten Vorteilen von gutem Wirkungsgrad und geringen Emissionen, als dezentrale Kraftwerke, in mobilen Anwendungen oder im Transportsektor zum Einsatz kommen können, müssen sie sich schnell ändernden Last- und Betriebsbedingungen anpassen können. Um solche Eigenschaften zu erreichen müssen die Hilfsaggregate, typischerweise durch integrierte Regler gesteuert, die Brennstoffzelle dynamisch mit der richtigen Menge an korrekt konditionierten Reaktionsgasen versorgen und das System bei der optimalen Temperatur halten. Da beste Resultate durch modell-basierte Regler erreicht werden, muss ein geeignetes Modell zur Verfügung stehen um solche Regler zu implementieren. Diese Arbeit stellt ein regelungsorientiertes Zustandsmodell eines PEM Brennstoffzellensystems bereit. Das Modell beschreibt die Auswirkungen einer Interaktion mit den Hilfsaggregaten auf die Systemleistung. Das Modell wird in zwei Stufen entwickelt. In einer ersten Stufe wird ein analytisches, eingeschwungenes, zellengemitteltes, isothermes Brennstoffzellenmodell entwickelt. Das Modell berechnet die Zellspannung und den Wassergehalt der Membran als Funktion der Betriebsbedingungen, das heisst Zelltemperatur und Massenstrom, Druck und Feuchte der Reaktionsgase. Eine analytische Beschreibung des Wassertransports in der Zelle wird erarbeitet. In der zweiten Stufe werden dynamische Zustandsmodelle für die Hilfsaggregate entwickelt. Diese Modelle formen das Bindeglied zwischen den Stellorganen der Hilfsaggregate und den daraus resultierenden Betriebsbedingungen des Stapels. In dieser Arbeit werden Zustandsmodelle für eine nicht mit Druck beaufschlagte Luftspeisung, eine mit Druck beaufschlagte, rezirkulierende Wasserstoffspeisung sowie für eine wassergekühlte Temperaturregelung erarbeitet. Ein Brennstoffzellenteststand wurde entwickelt und die erarbeiteten Modelle darauf experimentell verifiziert.
    Résumé
    Les pile à combustible sont aujourd'hui pressenties pour la production d'énergie décentralisée, pour des applications mobiles ou encore dans le secteur des transports. Elles possèdent en effet les avantages inhérents de rendements élevés et de faibles émissions. Cependant, pour de telles applications, elles doivent être capable de suivre des changements de charge rapides et de s'adapter à des conditions de fonctionnement variables. Pour arriver à des telles performances, les systèmes auxiliaires – typiquement contrôlés par des régulateurs intégrés – doivent dynamiquement alimenter la pile avec les réactants aux bons débits, pressions et humidités, tout en maintenant une température idéale. Comme les meilleures performances sont obtenues en utilisant des régulateurs à base de modèles, il faut disposer d'un modèle approprié du système pour implémenter de tels régulateurs. Cette thèse développe un modèle pour un système pile à combustible PEM. Le modèle décrit les effets d'une interaction de l'utilisateur avec les systèmes auxiliaires sur les performances de la pile à combustible. Le modèle est établi en deux parties. Dans une première partie, un modèle analytique, isotherme, moyenné sur la cellule et en régime établi est développé. Le modèle prédit la tension de cellule et le contenu en eau de la membrane en fonction des conditions des réactants d'une part, et de la température d'autre part. Dans une deuxième partie, des modèles d'état dynamiques sont développés pour les systèmes auxiliaires. Ils font le lien entre les actuateurs des systèmes auxiliaires et l'évolution des conditions de fonctionnement de la pile. Dans le contexte de cette thèse, des modèles d'état sont établis pour un système d'approvisionnement en air non pressurisé, pour un système d'approvisionnement en hydrogène pressurisé à re-circulation et pour un système de contrôle de température. Un banc de test dédié a été développé lors de cette thèse. Les modèles établis y ont été vérifiés expérimentalement.