Published January 1, 2020 | Version v1
Publication Open

Operational Efficiency Improvement of PEM Fuel Cell—A Sliding Mode Based Modern Control Approach

Creators

  • 1. COMSATS University Islamabad
  • 2. ORCID
  • 3. National University of Computer and Emerging Sciences

Description

The efficiency and durability of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) can be improved with proper controller design to regulate the flow of reactants, cell stack temperature and humidity of the membrane.In this paper, sliding mode controllers (SMC) are proposed for a polymer electrolyte membrane fuel cell PEMFC.In particular, first order SMC and second order SMC based on super twisting algorithm are designed and investigated.The actual process has been formulated in simulation by Pukurushpan's ninth order model.Performance of both control laws has been compared in simulation in MATLAB/Simulink environment in terms of oxygen excess ratio, net power generated, stack voltage/power produced and compressor motor voltage.Simulation results dictate that second order SMC demonstrates superior performance in terms of set-point tracking and disturbance rejection.The designed controller makes the interaction of various subsystems in a smooth manner and consequently improves the overall efficiency of the system and prolongs the stack life of the fuel cells.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يمكن تحسين كفاءة ومتانة خلية وقود غشاء تبادل البروتون (PEMFC) من خلال تصميم وحدة تحكم مناسبة لتنظيم تدفق المواد المتفاعلة ودرجة حرارة مكدس الخلية ورطوبة الغشاء. في هذه الورقة، يتم اقتراح وحدات تحكم الوضع الانزلاقي (SMC) لخلية وقود غشاء البوليمر المنحل بالكهرباء PEMFC. على وجه الخصوص، تم تصميم SMC من الدرجة الأولى و SMC من الدرجة الثانية استنادًا إلى خوارزمية الالتواء الفائق والتحقيق فيها. تمت صياغة العملية الفعلية في المحاكاة بواسطة نموذج الترتيب التاسع لـ Pukurushpan. تمت مقارنة أداء كل من قوانين التحكم في المحاكاة في بيئة MATLAB/Simulink من حيث نسبة فائض الأكسجين، وصافي الطاقة المولدة، وجهد المكدس/الطاقة المنتجة وجهد محرك الضاغط. تملي نتائج المحاكاة أن SMC من الدرجة الثانية تظهر أداءً فائقًا من حيث تتبع نقطة الضبط ورفض الاضطراب. يقوم جهاز التحكم المصمم بإجراء تفاعل بين الأنظمة الفرعية المختلفة بطريقة سلسة وبالتالي يحسن الكفاءة الإجمالية للنظام ويطيل عمر خلايا الوقود.

Translated Description (French)

L'efficacité et la durabilité d'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) peuvent être améliorées avec une conception de contrôleur appropriée pour réguler le flux de réactifs, la température de l'empilement de cellules et l'humidité de la membrane. Dans cet article, des contrôleurs de mode glissant (SMC) sont proposés pour une pile à combustible à membrane à électrolyte polymère PEMFC. En particulier, des SMC de premier ordre et des SMC de deuxième ordre basés sur un algorithme de super-torsion sont conçus et étudiés. Le processus réel a été formulé en simulation par le modèle de neuvième ordre de Pukurushpan. La performance des deux lois de contrôle a été comparée en simulation dans l'environnement MATLAB/Simulink en termes de rapport d'excès d'oxygène, de puissance nette générée, de tension/puissance produite par l'empilement et de tension du moteur du compresseur. Les résultats de la simulation dictent que les SMC de deuxième ordre démontrent des performances supérieures en termes de suivi de consigne et de rejet de perturbation. Le contrôleur conçu effectue l'interaction de divers sous-systèmes de manière fluide et améliore par conséquent l'efficacité globale du système et prolonge la durée de vie de l'empilement des piles à combustible.

Translated Description (Spanish)

La eficiencia y la durabilidad de una celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) se pueden mejorar con un diseño de controlador adecuado para regular el flujo de reactivos, la temperatura de la pila de celdas y la humedad de la membrana. En este documento, se proponen controladores de modo deslizante (SMC) para una celda de combustible de membrana de electrolito polimérico PEMFC.En particular, se diseñan e investigan el SMC de primer orden y el SMC de segundo orden basados en el algoritmo de súper torsión. El proceso real se ha formulado en simulación mediante el modelo de noveno orden de Pukurushpan. El desempeño de ambas leyes de control se ha comparado en simulación en el entorno MATLAB/Simulink en términos de relación de exceso de oxígeno, potencia neta generada, voltaje/potencia producida de la pila y voltaje del motor del compresor. Los resultados de la simulación dictan que el SMC de segundo orden demuestra un rendimiento superior en términos de seguimiento de puntos de ajuste y rechazo de perturbaciones. El controlador diseñado hace que la interacción de varios subsistemas sea suave y, en consecuencia, mejora la eficiencia general del sistema y prolonga la vida útil de la pila de las celdas de combustible.

Files

09097244.pdf.pdf

Files (245 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:237371272fe1b1b03f9066c8b43c197f
245 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تحسين الكفاءة التشغيلية لنهج التحكم الحديث القائم على الوضع الانزلاقي لخلية وقود PEM - A
Translated title (French)
Amélioration de l'efficacité opérationnelle de la pile à combustible PEM - Approche de contrôle moderne basée sur le mode coulissant
Translated title (Spanish)
Mejora de la eficiencia operativa de la celda de combustible PEM: un enfoque de control moderno basado en el modo deslizante

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3027704981
DOI
10.1109/access.2020.2995895

Is supplement to
https://openalex.org/W4386415288 (Other)
https://openalex.org/W3217129854 (Other)
https://openalex.org/W2380576232 (Other)
https://openalex.org/W2369019401 (Other)
https://openalex.org/W2368719846 (Other)
https://openalex.org/W2093424824 (Other)
https://openalex.org/W2083114629 (Other)
https://openalex.org/W2016212619 (Other)
https://openalex.org/W2013417677 (Other)
https://openalex.org/W1971704801 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W1968445705
  • https://openalex.org/W1977423968
  • https://openalex.org/W2018851823
  • https://openalex.org/W2059700543
  • https://openalex.org/W2083416574
  • https://openalex.org/W2084260149
  • https://openalex.org/W2102779861
  • https://openalex.org/W2122364462
  • https://openalex.org/W2124933191
  • https://openalex.org/W2160601075
  • https://openalex.org/W2163121678
  • https://openalex.org/W2331534115
  • https://openalex.org/W2461470720
  • https://openalex.org/W2484229617
  • https://openalex.org/W2490332177
  • https://openalex.org/W2491382403
  • https://openalex.org/W2505874150
  • https://openalex.org/W2511377536
  • https://openalex.org/W2592324898
  • https://openalex.org/W2760940047
  • https://openalex.org/W2766530079
  • https://openalex.org/W2781821827
  • https://openalex.org/W2808047783
  • https://openalex.org/W2955613453
  • https://openalex.org/W2963031724
  • https://openalex.org/W2969879595
  • https://openalex.org/W2992685150
  • https://openalex.org/W3000534328
  • https://openalex.org/W3009022442
  • https://openalex.org/W3035900006
  • https://openalex.org/W4229523465
  • https://openalex.org/W609813649
  • https://openalex.org/W639379573