Dynamischer Betrieb einer Brennstoffzelle mittels flachheitsbasierter Vorsteuerung und Mehrgrößenregler

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Dynamischer Betrieb einer Brennstoffzelle mittels flachheitsbasierter Vorsteuerung und Mehrgrößenregler

Zirkel, Daniel / Wiedemann, Gunter / Liu, Steven

In diesem Beitrag wird zuerst das Luftsystem für einen Brennstoffzellen-Antrieb beschrieben. Grundlage der Modellbildung ist die Verschaltung von Drossel-Volumen-Elementen. Darauf aufbauend werden die Herleitung einer flachen Vorsteuerung und der Entwurf eines PIMehrgrößenreglers, welcher aus zwei SISO-Reglern und einer stationären Entkopplung besteht, dargestellt. Messungen an einem Brennstoffzellen-Prüfstand zeigen die schnelle und präzise Regelung mit Hilfe des vorgestellten Konzepts. Das hier verwendete Luftsystem besteht aus vier Komponenten: Drehzahlgeregelter Verdichter, Befeuchter, Stack und Staudruckregelventil. Die durch den Verdichter komprimierte Luft gelangt in den Befeuchter, der den einströmenden Luftstrom befeuchtet, um ein Austrocknen der Brennstoffzelle zu verhindern. Er wird in zwei Pfade aufgeteilt, welche durch eine Membran getrennt sind. Zweck dieser Membran ist die Diffusion von Wasserdampf der feuchten Luft am Stackausgang zur Frischluft am Stackeingang. Dieser Massentransport wird im Folgenden bei der Modellbildung nicht mit berücksichtigt, sondern in regelungstechnischer Sichtweise als Störgröße behandelt. Zwischen den Befeuchterpfaden befindet sich der Stack, welcher in der chemischen Reaktion aus Sauerstoff und Wasserstoff elektrische Energie gewinnt. Das Ende des Luftsystems bildet das Staudruckregelventil, welches durch Variation der Öffnung den Systemdruck erhöhen bzw. erniedrigen kann.