Implementierung einer bidirektionalen Temperaturregelung für einen Metallhydrid-Reaktor

Kurzfassung

Im Kontext der weltweiten Bemühungen den Klimawandel aufzuhalten, gewinnen Brennstoffzellen im Mobilitätssektor zunehmend an Bedeutung. Technisch gesehen ist die Lebensdauer von Brennstoffzellen ein begrenzender Faktor für ihren Einsatz in der Mobilität. Die Lebensdauer wird von zwei Hauptfaktoren verringert: dem Kaltstart und den Temperaturschwankungen aufgrund von Lastzyklen. Eine bidirektionale und aktive Temperaturregelung könnte mittels Metallhydriden möglich sein, um die Temperaturschwankungen zu verhindern. Metallhydride sind die Verbindungen zwischen Metallen und Wasserstoff, die bei der Reaktion miteinander reversibel Wärme und Kälte freisetzen können, sodass eine schnelle, aktive, bidirektionale Temperaturregelung möglich ist. In der vorliegenden Arbeit wird eine aktive, bidirektionale Temperaturregelung mittels einem Metallhydrid-Reaktor entwickelt und implementiert. Als Grundlage für diese Regelung werden die Eigenschaften des Metallhydrid-Reaktors in experimentellen Versuchen ermittelt. Dabei zeigt sich, dass der Wasserstoffumsatz und die Reaktionskinetik temperatur- und druckabhängig sind. Zusätzlich wird die Reaktionskinetik vom Beladungszustand des Metallhydrids beeinflusst. Die übertragene thermische Leistung des Metallhydrids auf das Wärmeträgerfluid, das den Reaktor durchströmt, hängt von Druck, Temperatur und dem Volumenstrom des Wärmeträgerfluids ab. Basierend auf den Erkenntnissen aus den Versuchen am Teststand wird die Temperaturregelung entwickelt. Der Regelkreis wird als Kaskadenregelung realisiert. Im äußeren Regelkreis erfolgt die Temperaturregelung mit dem Druck als Stellgröße, während der innere Regelkreis den Druck regelt. Dabei werden der Proportional-Integral-Regler und der Proportional-Integral-Differential-Regler als Reglertypen untersucht. Die Parameteroptimierung der Regler erfolgt simulativ anhand eines definierten Gütefunktionals. Die Optimierung der Regelparameter und die Überprüfung der Qualität des Reglers erfolgen mit Hilfe von definierten Störtrajektorien. Die Simulation dient weiterführend zur Analyse des Regelkreises und zeigt, dass der Regelkreis nicht stabil ist. Dies spiegelt sich auch in den experimentellen Ergebnissen der Temperaturregelung wider. Die Ergebnisse der Temperaturregelung zeigen, dass der Temperaturregler die Temperatur mit einer mittleren Abweichung von 0,25 K für eine 5 K-Temperaturtrajektorie stabilisieren kann. Die Stellgröße Druck ist zur Temperaturregelung geeignet, da die Reaktortemperatur dem Druck mit einer Verzögerung von 1 s folgt. Allerdings weist die Regelgröße ein oszillierendes Verhalten auf, das durch das nichtlineare Verhalten des Reaktors bedingt ist. Zudem ist das Regelverhalten von dem Beladungszustand des Reaktors abhängig. Insgesamt verdeutlicht diese Arbeit, dass die Umsetzung einer Temperaturregelung mit einem Metallhydrid-Reaktor möglich ist. Zur Verbesserung des Regelverhaltens sollten zukünftige Konzepte Regler einschließen, die den Beladungszustand des Reaktors und das nicht-lineare Reaktorverhalten berücksichtigen.