Temperatur-Regelung von Brennstoffzellen durch Metallhydrid-Komponenten

Kurzfassung

Nach aktuellem Stand der Technik wird Wasserstoff für Anwendungen im Automobilbereich bei 700 bar in Drucktanks gelagert. Zur Komprimierung werden dabei 15 % des unteren Heizwertes von Wasserstoff benötigt, was einer Energiemenge von ca. 18 MJ entspricht. Diese aufgebrachte Energie wird bei der anschließenden Verwendung des Wasserstoffs in der Brennstoffzelle, durch eine Drosselung auf 3 - 10 bar, an die Umgebung abgegeben. Um diesem Problem entgegenzuwirken werden Metall-Hydrid-Reaktoren entwickelt, die diese Kompressionsenergie zu einem Anteil nutzen können. Metall-Hydrid-Reaktoren wandeln die potentielle Energie in Wärme und Kälte um und unterstützen damit das Thermomanagement einer Brennstoffzelle. Das Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe eines MetallHydrid-Reaktormodells eine Regelung zur Stabilisierung der Austrittstemperatur auf einem gewünschten Sollwert zu implementieren. Hierfür wird der auf einem Rohrbündelwärmeübertrager basierende Metall-Hydrid-Reaktor in einer 0DModellierung abgebildet und die Stoffwerte für den erforderlichen Temperaturbereich interpoliert. Dabei ist es entscheidend, dass sowohl die Dynamik des Reaktors als auch die Kapazität möglichst genau abgebildet wird. Zur Identifikation der benötigten Parameter werden verschiedenste Drucksprünge bei einer konstant gehaltenen Eintrittstemperatur am Metall-Hydrid-Reaktor vermessen. Die Identifikationsmessungen liegen hierfür im Bereich der Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle von 60 − 80 °C. Basierend auf dem Modell werden die Parameter eines proportional - integral Reglers zur Regelung der Austrittstemperatur des Metall-HydridReaktors optimierungsbasiert ausgelegt. Dabei wird sowohl die Performance des Reglers durch die Minimierung des Regelfehlers, als auch die Robustheit des Regelkreises durch die Minimierung der Oszillationen der Regelgröße betrachtet. Die Regelstrecke setzt sich aus dem Modell des Metall-Hydrid-Reaktors und dem im Prüfstand fest integrierten Druckreglern zusammen. Dadurch weist der geschlossene Regelkreis eine Kaskadenstruktur auf, wobei nur der äußere Temperaturregler am Prüfstand ausgelegt werden kann. Aus der Arbeit geht ein validiertes 0D-Modell des Metall-Hydrid-Reaktors hervor sowie die damit verbundene Vorgehensweise für die Identifikation der Parameter bei einem stark reduziertem Modell eines Metall-Hydrid-Reaktors. Weiter konnte mit der auf einer Siemens SPS implementierten Regelung die Temperatur am Austritt eines Metall-Hydrid Reaktors auf einem konstantem Sollwert stabilisiert werden. Mit den vielversprechenden Ergebnissen der Modellierung und der implementierten Regelung, ist der erste Meilenstein zur Integration des Metall-HydridReaktors in das Thermomanagement einer Brennstoffzelle erreicht.