PEMCell

Control tolerante a fallos de sistemas basados en pilas de combustible, CICYT DPI2005-05415.

Objetivos

La finalidad de este proyecto es el desarrollo de algoritmos para el control tolerante a fallos de sistemas basados en pilas de combustible. Para alcanzar esta finalidad se establecen los siguientes objetivos:

Estudio y diseño de diagnosticadores de fallos en sistemas basados en pilas de combustible.
Desarrollo de controladores tolerantes a fallos de sistemas basados en pilas de combustible.
Diseño e implementación de una herramienta informática para la supervisión (diagnóstico y control tolerante) de pilas de combustible.

Resumen

Las nuevas tecnologías para la producción de energía son actualmente de gran interés ya que se espera que en este siglo la fuente principal de energía, los combustibles fósiles, se agoten. Además, existe una mayor conciencia medioambiental de la contaminación que introducen dichos combustibles. Las células de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) se consideran actualmente como una de las tecnologías más prometedoras para la producción de energía, debido a que éstas son convenientes/adecuadas/prácticas para la producción de energía móvil y fija.

Para el uso amplio de nuevas tecnologías en la producción de energía, es esencial garantizar su fiabilidad y, además, dicha fiabilidad debe ser equiparable a la tecnología que substituya. Las pilas de combustible deben, por lo tanto, competir con tecnologías que han tenido décadas para madurar y para desarrollar su fiabilidad. Por esta razón es necesario investigar medios para aumentar la fiabilidad de los sistemas de la célula de combustible haciéndolos tolerantes a los fallos del sistema y de sus componentes.

Las pilas de combustible son sistemas complejos que implican fenómenos de intercambio térmico-químico, electroquímico, y de generación de energía eléctrica. Dichos sistemas son vulnerables a fallos. Los fallos que se produzcan en los sistemas auxiliares, sensores, actuadores o en la propia pila (stack) pueden originar la parada o el daño permanente de la pila de combustible y en consecuencia un fallo en el sistema o proceso que utiliza este tipo de energía.

Debido a la complejidad inherente de estos sistemas, es necesario utilizar técnicas sistemáticas, como los recientes métodos de Control Tolerante a Fallos (CTF), para diseñar sistemas de control, de diagnóstico y mantenimiento predictivo que aumenten la tolerancia a fallos de esta tecnología.
El control tolerante a fallos es un nuevo concepto de este milenio que tiene por objetivo el desarrollo de sistemas de control que aumenten la disponibilidad del sistema controlado y su seguridad. La idea de CTF aplicado a la automatización de sistemas es evitar que averías simples se conviertan en fallos más serios dotando al sistema de una capacidad robusta y fiable para tolerar el malfuncionamiento del sistema, conforme a unos requerimientos de funcionamiento. CTF integra múltiples disciplinas de reciente investigación y desarrollo tecnológico, como son sistemas empotrados, sistemas de control en tiempo real y distribuido, análisis de los modos de fallos y su efecto, análisis de la severidad de los fallos, detección y aislamiento de fallos (FDI), control adaptativo y robusto, control predictivo, sistemas a eventos discretos, sistemas de clasificación, sistemas híbridos, etc.

Para que las pilas de combustible puedan ser utilizadas a nivel industrial y de servicios, en sustitución de los generadores de energía clásicos, se las debe dotar de sistemas automatizados capaces de conferirles una gran seguridad y fiabilidad sin aumentar excesivamente los costos económicos. De ahí surge la finalidad del proyecto: evaluar cuáles de las técnicas desarrolladas actualmente en CTF son de utilidad para este sistema, cómo pueden adaptarse a él y desarrollar y aplicar nuevos métodos, algoritmos y herramientas para conseguir el CTF de pilas de combustible.

Resultados alcanzados

Estudio y diseño de diagnosticadores de fallos en sistemas basados en pilas de combustible. Se han desarrollado algoritmos para evaluar la diagnosticabilidad de los sistemas integrando técnicas de análisis estructural y observabilidad. También se han estudiado algoritmos para la localización de sensores que permitan diagnosticar el máximo número de fallos que pueden presentarse en un sistema (aplicado a las pilas de combustible). Finalmente, se han diseñado metodologías de detección y diagnóstico de fallos, incorporando técnicas híbridas.

Desarrollo de controladores tolerantes a fallos de sistemas basados en pilas de combustible. Se han diseñado algoritmos para la evaluación de la recuperabilidad del sistema una vez producido el fallo utilizando técnicas de propagación de restricciones y conjuntos. También, se ha desarrollado una nueva metodología de acciones correctoras consistente en disponer de un banco de controladores y seleccionar, según el fallo producido, el controlador que cumpla los requisitos de control. Finalmente, se ha utilizado MPC para el diseño de sistemas tolerantes a fallos de actuadores, aplicado en simulación a una pila de combustible.

Diseño e implementación de una herramienta informática para la supervisión (diagnóstico y control tolerante) de pilas de combustible. Se ha montado y se ha puesto a punto un benchmark de una pila de combustible que produce 500 W de potencia con los sensores necesarios para la detección y el diagnóstico de fallos. El sistema incluye un software de adquisición, control y diagnóstico de fallos basado en LabView. Además, se ha incorporado un conjunto de fallos de forma controlada en dicho benchmark. Finalmente, se han obtenido resultados en simulación y en experimentación del sistema diagnosticador y del sistema de control tolerante a fallos.

Publicaciones más destacadas

Nejjari, F., Perez, R., Escobet,T. and Travé-Massuyès L. “Fault diagnosability utilizing quasi-static and structural modelling”. Mathematical and Computer Modelling, vol 45 (5-6):606-616, <doi:10.1016/j.mcm.2006.06.008>, 2007.
Ingimundarson, A., Stefanopoulou, A.G., McKay, D.A. “Model based detection of hydrogen leaks in a fuel cell stack”. IEEE Transactions of Control System Technology, vol. 16 (5):1004-1012, <doi:10.1109/TCST.2007.916311>, 2008.
Puig, V., J. Quevedo, T. Escobet, F. Nejjari and S. de las Heras. "Passive Robust Fault Detection of Dynamic Processes Using Interval Models". IEEE transactions on control systems technology, vol. 16 (5):1083-1089, <doi: 10.1109/TCST.2007.906339>, 2008.
Ingimundarson, A., Bravo, J.M., Puig, V., Alamo, T. and Guerra, P. “Robust fault detection using zonotope-based set-membership consistency test”. International Journal of Adaptive Control Signal Process,23 (4):311-330, <doi: 10.1002/acs.1038>, 2009.
Escobet, T., Feroldi, D., de Lira, S., Puig, V., Quevedo, J., Riera, J. and Serra M. “Model-based fault diagnosis in PEM fuel cell systems”. Journal of Power Sources, 192(1):216-223, 10.1016/j.jpowsour.2008.12.014, 2009.
Rosich, A., Sarrate, R., Puig, V., Escobet. T. “Efficient Optimal Sensor Placement for Model-based FDI using an Incremental Algorithm”. 46th IEEE Conference on Decision and Control, <doi:10.1109/CDC.2007.4434636>, December 2007, p. 2590-2595.
Puig, V., Rosich, A., Ocampo, C. “Fault-Tolerant Explicit MPC of PEM Fuel Cells”. 46th IEEE Conference on Decision and Control, <doi:10.1109/CDC.2007.4434636>, December 2007, p. 2657-2662.