Regleroptimierung der Sauerstoffzudosierung eines Notfallbrennstoffzellensystems

Abstract

Multifunktionale Brennstoffzellen-Systeme (BZ-System) zur Erzeugung der elektrischen Energie im Flugzeug und zur Realisierung weiterer Nebenanwendungen, wie z.B. der Generierung von Wasser oder Inertgas, können in Zukunft einen signifikanten Beitrag zur Reduzierung von CO2-Emissionen, Einsparung wertvoller Rohstoffe sowie zur Senkung des Flugzeuglärms am Boden leisten. Eine weitere mögliche Anwendung innerhalb des multifunktionalen Systems ist die Nutzung eines BZ-Stacks als Notstrom-Aggregat, wodurch das derzeitige System zur Notstromversorgung (Ram-Air-Turbine) ersetzt werden könnte. Voraussetzung ist hierbei ein von der Umgebungsluft unabhängiger Betrieb zur Abdeckung aller möglichen Notfallszenarien, was durch eine Rezirkulation der Kathodenabluft und Zuführung des während der Reaktion verbrauchten Sauerstoffs erreicht werden kann. In vorhergehenden Arbeiten konnte die technische Machbarkeit der Kathoden-Rezirkulation mit Zudosierung von reinem Sauerstoff aus einem Drucktank nachgewiesen werden [1]. Es wurde die theoretisch benötigte Sauerstoffmenge in Abhängigkeit zum jeweils aktuell fließenden elektrischen Strom zugeführt. Zusätzlich wurde die Abweichung zum tatsächlichen Sauerstoffverbrauch durch einen PID-Regler kompensiert. Bei Lastwechseln kam es jedoch zu starkem Schwingen der Sauerstoffkonzentration innerhalb des Rezirkulationskreises, wodurch ein stabiler und sicherer Betrieb des Systems nicht gewährleistet werden konnte. Ziel dieser Arbeit ist die System- und Regler-Optimierung der Sauerstoffzudosierung im Rezirkulationskreis zur Minimierung der Schwingung sowie zur Vermeidung von Sauerstoffkonzentrationen >23%, um somit einen stabilen und sicheren Betrieb auch bei starken Lastwechseln sicher zu stellen. Als Hauptursache für das starke Über- und Unterschwingen der Sauerstoffkonzentration am Ausgang der Regelstrecke konnte die systembedingte Trägheit des Verdichters im Kathodenstrang identifiziert werden. Infolge dessen kam es bei schnellen Lastwechseln trotz konstant eingestelltem überstöchiometrischen Verhältnis zu zeitlich verzögerten, variablen Sauerstoffkonzentrationen am Eingang der Regelstrecke sowie zu Abweichungen zum theoretisch auf Basis der anliegenden Last berechneten Volumenstroms. Das gestellte Ziel der Unterbindung von Sauerstoffkonzentrationen > 23 Vol.-% wurde durch konstruktive Maßnahmen, wie der Integration eines Mischelements zwischen Zudosierungsstelle und Sauerstoffmessung, kürzeren Wegstrecken und somit geringerem Rezirkulationsvolumen, sowie einer Regler-Optimierung in Form einer Störgrößenaufschaltung der veränderlichen Größen am Eingang der Regelstrecke in Abhängigkeit zum aktuellen Volumenstrom des Verdichters, umgesetzt. Durch die entwickelten Systemoptimierungen konnte der sichere und zuverlässige Betrieb eines Lastrampen-Notfalllastprofils mit einem Stromgradienten von 625 A/s erfolgreich dargestellt werden. Quellen: [1] Hoppen, H.: O2-Loop - Technical Feasibility Study of a Closed Loop Cathode Gas Supply for PEM Fuel Cells, Bachelor Thesis - Hochschule für Angewandte Wissenschaft (08.2012)