Optimale Steuerung eines dynamischen Schmelzcarbonat-Brennstoffzellen-Modells (Optimal Control of a Molten Carbonate Fuel Cell Model)

In diesem Artikel werden Ergebnisse der optimalen Steuerung eines SchmelzcarbonatBrennstoffzellensystems unter Lastwechseln präsentiert. Den umfangreichen Berechnungen liegt ein detailliertes, validiertes mathematisches Modell zugrunde, das die zeitliche und örtliche Dynamik der Gasströme, deren elektro-chemische Reaktionen und die in der Zelle herrschenden Temperaturen und elektrischen Spannungen beschreibt. Das mathematische Modell besteht aus einem hochdimensionalen, nichtlinearen partiell-differential-algebraischen Gleichungssystem mit einer parabolischen Gleichung für die Wärmeleitung im Elektrolyten der Zelle sowie hyperbolischen Transportgleichungen für den reaktiven Gastransport. Die Potentialfelder werden in jedem Ortspunkt durch ein differential-algebraisches Gleichungssystem beschrieben. Darüber hinaus gehen in die rechten Seiten der Differentialgleichungen Integralterme ein. Der Gasstrom zwischen Anode und Kathode wird über einen katalytischen Nachbrenner und eine Mischkammer geführt, sodass die Verknüpfung von Anode zu Kathode durch ein differentialalgebraisches Gleichungssystem beschrieben wird. Die Einlassbedingungen am Anodeneingang und am Lufteinlass bieten die Möglichkeit der Steuerung der Brennstoffzelle. Damit sind numerische Simulationen und extrem zeitaufwändige optimale Steuerungen, z.B. eines Lastwechsels, möglich, die den Brennstoffzellenstapel optimal von einem stationären Zustand in einen anderen überführen. Die numerischen Resultate belegen die Leistungsfähigkeit moderner Methoden der Optimalen Steuerung. Hier kommt eine Methode zum Tragen, bei der alle Gleichungen erst diskretisiert, dann optimiert werden.