Regelung und Optimierung eines Brennstoffzellensystems für die Hausenergieversorgung

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Steuerung und Regelung sowie die Optimierung der Systemintegration und des Gesamtnutzungsgrades eines Brennstoffzellensystems für den Einsatz in Einfamilienhäusern zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung. Dazu wurde eine Laborversion eines wärmeintegrierten 1 kWel-Brennstoffzellensystems auf Basis von PEM-Brennstoffzellen einschließlich der Wasserstofferzeugung mittels Dampfreformierung aufgebaut. Ein wesentlicher Punkt bei der Optimierung der Systemintegration lag in der Anpassung der Systemverschaltung zur Rückführung des Anodenabgases in den Reformerbrenner um den elektrischen Systemwirkungsgrad zu erhöhen. Außerdem wurde zur Verbesserung der Wärmeintegration sowie zur Vereinfachung der Systemverschaltung die selektive Oxidationsstufe sowie die Reformatkühlung in den Brennstoffzellenkühlkreis eingebunden. Für die Systemanalyse und die Regelungsentwicklung wurde in MATLAB®/Simulink® ein dynamisches nulldimensionales Modell auf Basis von Energie- und Stoffbilanzen entwickelt. Zur Optimierung des Betriebsverhaltens sowie des Gesamtnutzungsgrades wurden mit Hilfe des Modells die Systemverschaltung und die Betriebsparameter variiert. Die Parameter mit dem größten Optimierungspotenzial hinsichtlich des elektrischen Systemwirkungsgrades sind die Reformertemperatur und der Gasnutzungsgrad. Um stabiles und energetisch optimales Betriebsverhalten zu gewährleisten sowie kritische Betriebszustände zu vermeiden, wurde zur Konstanthaltung der Betriebsparameter im stationären sowie im dynamischen Betrieb eine Steuerung und Regelung entwickelt. Die Regelungsentwicklung wurde durch Simulationen mit dem dynamischen Systemmodell unterstützt. Die zentrale Regelung des Systems ist die Regelung des Wasserstoffüberschusses, die einen konstanten Gasnutzungsgrad des Brennstoffzellenstapels sicherstellt und die Grundlage für die stromgeführte Systemregelung bildet. Die in LabVIEW™ implementierte Steuerung und Regelung wurde durch dynamische Messungen validiert. Während eines Lastwechsels beträgt die maximale Änderung der elektrischen Leistung 5 W/s, wobei der Gasnutzungsgrad sowie die Reformer- und die Brennstoffzellentemperatur wie auch weitere Betriebsparameter konstant gehalten werden. Dadurch werden die Betriebsbereiche der Reformer-Shift-Stufe, der selektiven Oxidationsstufe sowie des Brennstoffzellenstapels auch im dynamischen Betrieb eingehalten. Die Charakterisierung des Brennstoffzellensystems bezüglich Zeitkonstanten und Wirkungsgraden erfolgte durch dynamische sowie stationäre Messungen. So dauert der Anfahrvorgang vom Kaltstart bis zum stationären Betrieb weniger als eine Stunde. Der maximale DC-Nettowirkungsgrad (ohne Wechselrichterverluste) des Laborsystems erreicht 24 %. Für den thermischen Wirkungsgrad wurden im oberen Lastbereich teilweise Werte über 55 % gemessen. Die Summe aus thermischem Wirkungsgrad und elektrischem DC-Nettowirkungsgrad ergibt einen Gesamtnutzungsgrad, der abhängig vom Betriebspunkt bis zu 80 % erreichen kann.