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Non-linear model reduction and control of molten carbonate fuel cell systems with internal reforming

Autor :Min Sheng
Herkunft :OvGU Magdeburg, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Datum :12.10.2007
 
Dokumente :
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Typ :Dissertation
Format :Text
Kurzfassung :Derzeit beruht die Entwicklung von Brennstoffzellensystemen und zugehörigen Prozessführungskonzepten hauptsächlich auf heuristischen Methoden. Verfügbare Brennstoffzellenmodelle sind oft zu kompliziert für die Anwendung auf Regelungsprobleme, oder sie sind nur für ein ganz spezielles Brennstoffzellensystem und nur in engen Betriebsbereichen gültig. Daher existieren sehr wenige modellbasierte Regelungskonzepte für Brennstoffzellen. Darüber hinaus existiert ein Bedarf an geeigneten und einfach zu implementierenden Regelungsstrategien für Brennstoffzellen. Daraus ergibt sich die Motivation, dynamische Brennstoffzellenmodelle im Hinblick auf Prozessführungsaufgaben zu vereinfachen und mit Hilfe dieser Modelle Regelungsstrategien für Brennstoffzellen zu entwickeln. Dies ist das Hauptziel dieser Arbeit. Als Anwendungsbeispiel wird das industrielle Schmelzkarbonatbrennstoffzellensystem (MCFC-System) HotModule der Firma MTU CFC Solutions betrachtet, das eine elektrische Leistung von bis zu 250 kW liefert. Als Ausgangspunkt für die Untersuchungen dient ein detailliertes dynamisches, örtlich zweidimensionales Brennstoffzellenmodell aus der Literatur. In Kapitel 2 werden von diesem Modell durch zusätzliche physikalische Annahmen zwei vereinfachte Varianten abgeleitet. Die eine Modellvariante wird zu einem dreidimensionalen Modell des Brennstoffzellenstapels erweitert, um zusätzliche chemische und physikalische Phänomene im Zellstapel zu erfassen. In Kapitel 3 werden Simulationen mit dem Modell des Brennstoffzellenstapels durchgeführt, um Konzentrations- und Temperaturverteilungen senkrecht zur Elektrodenfläche zu erfassen. Die zweite vereinfachte Modellvariante dient als Grundlage für ein reduziertes Modell sehr niedriger Ordnung, das in Kapitel 4 hergeleitet wird. Das reduzierte Modell wird mit Hilfe der Karhunen-Loève-Galerkin-Methode bestimmt. Dazu werden die örtlichen Temperatur-, Konzentrations- und Potenzialprofile mit Hilfe zeitlich konstanter orthonormaler Basisfunktionen approximiert. Aus Simulationsdaten, die mit Hilfe des detaillierten Modells gewonnen wurden, werden auf numerischem Wege problemangepasste Basisfunktionen generiert. Diese Methode bietet den Vorteil, dass eine kleine Anzahl von Basisfunktionen ausreicht, um die Lösung des detaillierten Modells mit guter Genauigkeit zu approximieren. Das resultierende reduzierte Modell ist von viel niedrigerer Ordnung als das detaillierte Modell und benötigt erheblich weniger Rechenzeit. Es dient als Grundlage für die Entwicklung eines modellgestützten Regelungskonzepts für das HotModule, das in Kapitel 5 entwickelt wird. Die Regelung hat die Aufgabe, ein schnelles und sicheres dynamisches Verhalten des Brennstoffzellensystems bei Lastwechseln zu garantieren. Darüber hinaus ist eine optimale Effizienz des Systems im stationären Fall wünschenswert. Unter Berücksichtigung dieser beiden Anforderungen wird ein Regelungskonzept aus einer Vorsteuerung und zwei PID-Reglern entwickelt. Die Vorsteuerung setzt die Brennstoffdurchflussmenge, das Verhältnis zwischen Dampf und Methan im Anodenzufluss, die Luftzahl des Brenners sowie den Anteil des zum Brenner zurückgeführten Kathodenabgases auf die optimalen stationären Werte bei einer gegebenen Lastanforderung. Die beiden PID-Regler dienen dazu, die örtlich höchste Temperatur sowie den örtlichen Temperaturgradienten auf vorgegebene Maximalwerte zu begrenzen. Sie korrigieren dazu die Luftzahl und die Zusammensetzung des Brenngases um die von der Vorsteuerung vorgegebenen Werte. Simulationsstudien zeigen, dass diese Strategie Erfolg versprechend ist.
Schlagwörter :molten carbonate fuel cell; model reduction; control; observer; Karhunen-Loeve decomposition
Rechte :Dieses Dokument ist urheberrechtlich geschützt.
Größe :XIII, 88 S.
 
Erstellt am :31.03.2009 - 06:59:15
Letzte Änderung :22.04.2010 - 08:34:07
MyCoRe ID :HALCoRe_document_00006493
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