Diseño del sistema de control de potencia eléctrica para un generador de celdas de combustible poliméricas AEMFC con hidrógeno, para la alimentación de un motor de 0.75KW DC

Abstract

Esta tesis presenta el diseño de un sistema de control de potencia para un generador de celdas de combustible de membrana de intercambio aniónico (AEMFC) alimentado con hidrógeno, destinado a energizar un motor de corriente continua de 0.75 kW. El proyecto surge de la necesidad de mitigar la contaminación del aire en Medellín, Colombia, donde el transporte es una fuente principal de emisiones nocivas. Aunque los vehículos eléctricos son una alternativa, su alto costo y la topografía de la ciudad limitan su viabilidad. Las AEMFC, que utilizan catalizadores más económicos, se presentan como una opción prometedora para una movilidad más sostenible.

El trabajo se inició con el desarrollo y ajuste de un modelo matemático de la AEMFC, utilizando datos del grupo de investigación GRIEQUI, para obtener curvas de polarización y potencia que definieron los rangos de operación seguros (12.46 V - 17.9 V). Posteriormente, se diseñó un convertidor Boost para elevar la salida de la celda a 48 V y satisfacer los requerimientos de potencia del motor. Se analizó el rendimiento del convertidor, incluyendo el análisis de pequeño rizado, modos de operación y eficiencia del convertidor y se seleccionaron los componentes clave, validando todo mediante simulaciones en MATLAB y PSIM. Para asegurar la estabilidad del voltaje ante variaciones en la entrada o la carga, se implementó un sistema de control en cascada con controladores PID y PI.

Los resultados principales incluyen un modelo de AEMFC confiable, un convertidor Boost de alta eficiencia (superior al 98% en modo continuo) y un sistema de control robusto, todos validados por simulaciones y el convertidor validado experimentalmente. Esta tesis contribuye al avance de la movilidad basada en hidrógeno, proporcionando una solución específica para el control de potencia. Los próximos pasos se centrarán en la implementación y prueba del sistema con la celda de combustible, así como en la optimización del control. (Tomado de la fuente)

This thesis presents the design of a power control system for an anion exchange membrane fuel cell (AEMFC) generator powered by hydrogen, intended to supply energy to a 0.75 kW direct current motor. The project arises from the need to mitigate air pollution in Medellín, Colombia, where transportation is a major source of harmful emissions. Although electric vehicles are a viable alternative, their high cost and the city's topography limit their feasibility. AEMFCs, which use more affordable catalysts, emerge as a promising option for more sustainable mobility. The work began with the development and tuning of a mathematical model of the AEMFC, using data from the GRIEQUI research group, to obtain polarization and power curves that defined the safe operating ranges (12.46 V - 17.9 V). Subsequently, a Boost converter was designed to raise the cell's output to 48 V to meet the power requirements of the motor. The converter's performance was analyzed, including small ripple analysis, operation modes, and efficiency, and the key components were selected and validated through simulations in MATLAB and PSIM. To ensure voltage stability in the face of input or load variations, a cascaded control system was implemented using PID and PI controllers. The main results include a reliable AEMFC model, a high-efficiency Boost converter (above 98% in continuous mode), and a robust control system, all validated through simulations. This thesis contributes to the advancement of hydrogen-based mobility by providing a specific solution for power control. The next steps will focus on the implementation and testing of the system with the actual fuel cell and motor, as well as on control optimization.