The hydrogen and
fuel cell center
ZBT GmbH

DynaCell - Dynamische Modellierung und modellbasierte Regelung von PEM Brennstoffzellensystemen

Das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) und das Institut für Regelungstechnik (IRT) der RWTH Aachen University entwickeln eine Regelung für PEM Brennstoffzellensysteme, welche einen maximal dynamischen Betrieb ermöglicht. Die Dynamik der Regelung ist von signifikanter Bedeutung für die Dimensionierung von Brennstoffzellensystemen und somit auch für die resultierenden Gesamtkosten.

Laufzeit: 01.09.2020 bis 28.02.2023 IGF Vorhaben Nr.: 61 EWN

Kern der Entwicklungen ist die korrekte dynamische Abbildung sämtlicher Komponenten entlang des Kathodenpfades, inklusive der Brennstoffzelle (ZBT). Auf Basis dieser Modelle wird dann eine modellprädiktive Regelung entwickelt, welche besonders das Wechselspiel des Kompressors, der Drosseln und auch der Brennstoffzellenbelastung kontrolliert (IRT). Die Entwicklungen beziehen sich auf ein 10 kW Brennstoffzellensystem, das am ZBT aufgebaut und vermessen wird und final zur Validierung der modellprädiktiven Regler genutzt wird.

Projektzusammenfassung:

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines dynamischen Modells einer Polymerelektrolyt- (PEM-) Brennstoffzelle inkl. der für die Dynamik relevanten Komponenten, welches sich insbesondere für den Einsatz in modellbasierten Regelungsverfahren eignet, und die Umsetzung modellbasierter Regelungsverfahren für die Optimierung des ganzheitlichen Betriebs der Brennstoffzelle zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei gleichbleibender Lebensdauer.

Durch das Durchführen von dynamischen Messungen am Prüfstand werden zunächst isolierte Dynamiken vermessen, um im Anschluss bereits bestehende statische Modelle zu erweitern. Des Weiteren wird eine umfängliche Validierung gegenüber zweier verschiedener Brennstoffzellensysteme auf dem Prüfstand durchgeführt, um die Gültigkeit des Modells in möglichst vielen Betriebsbereichen sicherzustellen. Parallel dazu werden modellbasierte Regelungsansätze auf ihre Eignung hin untersucht und die vielversprechendsten Ansätze umgesetzt. Mithilfe einer mehrschritten Validierung – zunächst rein simulativ, anschließend im Hardware-in-the-Loop-Betrieb und schlussendlich am Prüfstand – wird dabei eine industriell einsatzfähige Lösung angestrebt.

Durch Verwendung modellbasierter Regelungsverfahren mit maßgeschneiderten dynamischen Modellen der Brennstoffzelle, inklusive Peripherie, werden die Vorteile der Brennstoffzelle optimal ausgeschöpft. Einerseits kann der Betriebspunkt der Brennstoffzelle möglichst energieeffizient gewählt werden, andererseits ermöglicht eine betriebsparameterabhängige Strategie der Brennstoffzelle eine Ausdehnung ihres Betriebsbereichs und kann dabei unerwünschte weitere Verkürzungen der Lebensdauer vermeiden.

Innerhalb der gesamten Wertschöpfungskette – vom Komponentenproduzenten über Systementwickler bis hin zu Systemintegrierer – können KMU von den Ergebnissen profitieren, indem Hemmnisse beim dynamischen Betrieb gesenkt und ein wirtschaftlicherer und wettbewerbsfähigerer Betrieb erreicht werden.

Partner: