Fractional-order PID controller for temperature regulation of PEM electrolyzers

Abstract

A transição para sistemas energéticos de baixo carbono tem intensificado a necessidade de tecnologias sustentáveis para a produção de hidrogênio. Embora o hidrogênio seja amplamente utilizado como vetor energético, aproximadamente 96% da produção global ainda depende de processos baseados em combustíveis fósseis. O hidrogênio verde, produzido por meio da eletrólise da água alimentada por fontes renováveis, representa uma alternativa promissora para a descarbonização e o armazenamento de energia em larga escala. Dentre as tecnologias de eletrólise, os eletrolisadores de membrana de troca de prótons (PEM) destacam-se pelo seu projeto compacto, elevada densidade de corrente e adequação à integração com fontes renováveis intermitentes. A temperatura de operação dos eletrolisadores PEM desempenha um papel fundamental na determinação da eficiência, durabilidade e segurança do sistema. A operação abaixo da faixa recomendada reduz o desempenho eletroquímico, enquanto temperaturas elevadas aceleram a degradação da membrana e podem comprometer a estabilidade do sistema. Assim, a regulação robusta da temperatura é essencial para garantir operação eficiente e confiável. Esta dissertação propõe uma abordagem de modelagem orientada ao controle e o desenvolvimento de um controlador PID de ordem fracionária (FOPID), otimizado por meio de algoritmos genéticos, para a regulação térmica de eletrolisadores PEM. Um modelo dinâmico não linear é desenvolvido, calibrado e validado com dados experimentais, sendo posteriormente linearizado para fins de projeto de controle. O desempenho do controlador FOPID proposto é avaliado em cenários de rastreamento de referência e rejeição de perturbações, sendo comparado a um controlador PID clássico ajustado pelo mesmo procedimento de otimização. Os resultados de simulação demonstram que o controlador de ordem fracionária elimina o sobresinal observado no PID clássico (2,11%), apresenta uma resposta 53,6% mais rápida e requer menor esforço de controle, mantendo robustez frente a perturbações internas do sistema. Esses resultados indicam que o controle de ordem fracionária proporciona maior estabilidade térmica e melhor desempenho operacional para eletrolisadores PEM.

Abstract: The transition toward low-carbon energy systems has intensified the need for sustainable hydrogen production technologies. Although hydrogen is widely used as an energy carrier, approximately 96% of global production still relies on fossil-fuel-based processes. Green hydrogen, produced via water electrolysis powered by renewable sources, offers a pathway for decarbonization and large-scale energy storage. Among electrolysis technologies, proton exchange membrane (PEM) electrolyzers are particularly attractive due to their compact design, high current density, and suitability for integration with intermittent renewable energy sources. The operating temperature of PEM electrolyzers plays a critical role in determining efficiency, durability, and safety. Operation below the recommended range reduces electrochemical performance, whereas excessive temperature accelerates membrane degradation and may compromise system stability. Therefore, robust temperature regulation is essential to ensure efficient and reliable operation. This dissertation proposes a control-oriented modeling framework and the design of a fractional-order PID (FOPID) controller optimized via genetic algorithms for thermal regulation of PEM electrolyzers. A nonlinear dynamic model is developed, calibrated, and validated using experimental data, and subsequently linearized for controller design. The performance of the proposed FOPID controller is evaluated under reference tracking and disturbance scenarios and compared with a classical PID controller tuned using the same optimization procedure. Simulation results demonstrate that the fractional-order controller eliminates overshoot observed in the classical PID (2.11%), achieves a 53.6% faster response, and requires lower control effort while maintaining robustness against internal disturbances. These results indicate that fractional-order control provides improved thermal stability and enhanced operational performance for PEM electrolyzers.