Modellierung und Regelung eines Polymerelektrolytbrennstoffzellenstacks in der Kathodenrezirkulation

Kurzfassung

Die Arbeit entstand während eines Praktikums am Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V.. Es wird ein Regelungskonzept für die unterbrechungsfreie Umschaltung der Kathodenversorgung eines Polymerelektrolytbrennstoffzellenstacks (PEM) von Luft auf reinen Sauerstoff mit anschließender Kathodenrezirkulation entwickelt. Zuerst werden der Aufbau und die theoretischen Grundlagen der Elektrochemie, Medienversorgung und des Feuchtehaushaltes der PEM-Brennstoffzelle erklärt. Für den Umschaltvorgang von Luft- auf Sauerstoff wird im Anschluss ein physikalisches Modell erstellt, das den Kathodenmassenstrom in Abhängigkeit des Pumpenmassenstroms der Rückführung berechnet. Auf der Grundlage des Modells wird ein Regelungskonzept entwickelt und in Simulink aufgebaut, das eine unterbrechungsfreie Umschaltung zwischen der Luft und dem reinen Sauerstoff für die Kathodenversorgung sicherstellt und einen stabilen Betrieb des Brennstoffzellenstacks mit einem PID-Regler ermöglicht. Der Regler wird mit einer Störgrößenkompensation und einer Stellgrößenbegrenzung mit Anti-Windup Schaltung erweitert. Zusätzlich wird eine Stellgrößenfilterung und Modelloptimierung vorgenommen, um die Trägheits- und Reibungseffekte der Membranpumpe zu berücksichtigen. In weiteren Arbeiten kann ein bestehender Brennstoffzellenlaborteststand auf Grundlage dieses Konzeptes mit der Kathodenrezirkulation erweitert werden.