Control of Fuel Cell Power Systems: Principles, Modeling, Analysis and Feedback Design

مشکل انتشار گازهای گلخانه ای (به ویژه دی اکسید کربن) در طول تولید برق در سیستم های ثابت و متحرک به طور گسترده ای پذیرفته شده است. سلول های سوختی دستگاه های الکتروشیمیایی هستند که با تبدیل مستقیم سوخت گازی به الکتریسیته، تولید انرژی پاک و کارآمد را ارائه می دهند. به این ترتیب، آنها تحت مطالعه فعال برای تولید برق ثابت تجاری، کاربردهای مسکونی و حمل و نقل هستند. کنترل سیستم های پیل سوختی تحت شرایط محیطی مختلف و در محدوده عملیاتی گسترده، عاملی حیاتی در قابل دوام ساختن آنها برای استفاده گسترده در فناوری روزمره است.

در کنترل سیستم‌های قدرت سلول سوختی استفاده از پیل‌های سوختی در پیشرانه‌های خودرو به دلیل اهمیت سهم در انتشار جهانی CO₂ مورد تاکید قرار گرفته است. ساخته شده توسط نیروی محرکه وسیله نقلیه زمینی و به دلیل چالش ارائه شده توسط مشکلات کنترل همراه. رویکرد کنترل محور جامع نویسندگان ارائه می دهد:

• مروری بر اصول فیزیکی اساسی و اهداف کنترل اصلی و مشکلات مرتبط با اجرای سیستم های پیل سوختی.

• مدل های پویا در سطح سیستم که از اصول فیزیکی فرآیندهای درگیر به دست آمده اند.

• فرمولاسیون، تجزیه و تحلیل عمیق و طراحی کنترل دقیق برای دو مسئله کنترل بحرانی، یعنی کنترل تامین اکسیژن کاتدی برای یک سیستم پیل سوختی هیدروژن مستقیم با فشار بالا و کنترل عرضه هیدروژن آند. از سیستم پردازشگر سوخت گاز طبیعی

• کنترل‌کننده‌های چند متغیره که محدودیت‌های ناشی از عدم اطمینان حسگر یا قدرت محرک را کاهش می‌دهند.

• ناظرهای بی‌درنگ برای متغیرهای پشته که افزونگی را در فرآیندهای تشخیص عیب ایجاد می‌کنند.

• نمونه هایی از کمک تجزیه و تحلیل کنترل در طراحی مجدد پیل سوختی و بهبود عملکرد.

• مدل قابل دانلود SIMULINK® یک سلول سوختی برای استفاده فوری همراه با نمونه فایل های MATLAB® که با آن می توان آن را اجرا کرد و برخی از طرح های کتاب را بازتولید کرد. Control of Fuel Cell Power Systems که عمدتاً برای محققان و دانشجویانی با پیشینه کنترلی که به دنبال گسترش دانش خود در مورد فناوری پیل سوختی هستند، در نظر گرفته شده است، همچنین برای مهندسان پیل سوختی شاغل از طریق سادگی مدل‌های آن و کاربرد الگوریتم‌های کنترل در مطالعات موردی مشخص. پوشش کامل طراحی کنترل برای دانشمندانی که با جنبه های الکتروشیمیایی، مواد و دینامیک سیالات پیل های سوختی سروکار دارند مفید خواهد بود.

پیشرفت در کنترل صنعتی با هدف گزارش و تشویق انتقال فناوری در مهندسی کنترل است. توسعه سریع فناوری کنترل بر تمام حوزه های رشته کنترل تأثیر می گذارد. این مجموعه فرصتی را برای محققان فراهم می‌کند تا نمایشگاه گسترده‌ای از کار جدید در تمام جنبه‌های کنترل صنعتی ارائه دهند.

The problem of greenhouse gas (particularly carbon dioxide) release during power generation in fixed and mobile systems is widely acknowledged. Fuel cells are electrochemical devices offering clean and efficient energy production by the direct conversion of gaseous fuel into electricity. As such, they are under active study for commercial stationary power generation, residential applications and in transportation. The control of fuel cell systems under a variety of environmental conditions and over a wide operating range is a crucial factor in making them viable for extensive use in every-day technology.

In Control of Fuel Cell Power Systems the application of fuel cells in automotive powertrains is emphasized because of the significance of the contribution to global CO₂ emissions made by ground vehicle propulsion and because of the challenge presented by the accompanying control problems. The authors’ comprehensive control-oriented approach provides:

• An overview of the underlying physical principles and the main control objectives and difficulties associated with the implementation of fuel cell systems.

• System-level dynamic models derived from the physical principles of the processes involved.

• Formulation, in-depth analysis and detailed control design for two critical control problems, namely, the control of the cathode oxygen supply for a high-pressure direct hydrogen fuel cell system and control of the anode hydrogen supply from a natural gas fuel processor system.

• Multivariable controllers that attenuate restraints resulting from lack of sensor fidelity or actuator authority.

• Real-time observers for stack variables that confer redundancy in fault detection processes.

• Examples of the assistance of control analysis in fuel cell redesign and performance improvement.

• Downloadable SIMULINK® model of a fuel cell for immediate use supplemented by sample MATLAB® files with which to run it and reproduce some of the book plots.

Primarily intended for researchers and students with a control background looking to expand their knowledge of fuel cell technology, Control of Fuel Cell Power Systems will also appeal to practicing fuel cell engineers through the simplicity of its models and the application of control algorithms in concrete case studies. The thorough coverage of control design will be of benefit to scientists dealing with the electrochemical, materials and fluid-dynamic aspects of fuel cells.

Advances in Industrial Control aims to report and encourage the transfer of technology in control engineering. The rapid development of control technology has an impact on all areas of the control discipline. The series offers an opportunity for researchers to present an extended exposition of new work in all aspects of industrial control.