Solid Oxide Fuel Cell-Prüfstand
Final Report Abstract
Der SOFC-Prüfstand wird intensiv im Rahmen des seit 2011 von der DFG geförderten Forschungsvorhabens "Intervallmethoden zur robusten modell-prädiktiven Regelung von SOFC-Brennstoffzellensystemen" genutzt. Dabei steht eine verlässliche Modellierung des dynamischen Verhaltens von Brennstoffzellensystemen mit dem Ziel eines echtzeitfähigen sowie robusten Regelungs- und Beobachterentwurfs im Mittelpunkt der Arbeiten. Bereits abgeschlossene und publizierte Ergebnisse des Forschungsvorhabens befassen sich mit • der Modellbildung des dynamischen Verhaltens einzelner Prüfstandskomponenten: regelungsorientierte Beschreibung des thermischen Verhaltens der Gasvorheizer sowie des Brennstoffzellen- Stackmoduls; • der Identifikation von Parametern der oben genannten regelungsorientierten Modelle unter Zuhilfenahme lokaler Optimierungsroutinen (ableitungsfreie Verfahren auf Basis der Nelder-Mead-Simplex-Methode sowie Erarbeitung neuartiger sensitivitätsbasierter Ansätze) und globaler intervallbasierter Verfahren; • der effizienten Implementierung von parallelisierten Parameteridentifikationsroutinen unter Nutzung der GPU (zur Minimierung der Rechenzeit bei komplexen Optimierungsaufgaben); • dem Entwurf robuster, modell-prädiktiver Regelungsverfahren zur Nutzung intervallarithmetischer Software-Bibliotheken in Echtzeit-Regelungsstrategien; • dem Entwurf strukturvariabler Regelungsverfahren, insbesondere der Nutzung intervallarithmetischer Software-Bibliotheken zur Umsetzung robuster Sliding-Mode-Verfahren. Bei der Implementierung von Intervall-Algorithmen für die Offline-Parameteridentifikation sowie für die Online-Reglersynthese (Nutzung in Echtzeit) ist die Reduktion von Überschätzung eine der wesentlichen Herausforderungen aus algorithmischer Sicht. Überschätzung kann dazu führen, dass die mit Intervall-Algorithmen berechneten Wertebereiche so konservativ werden, dass sie - obwohl die Menge aller relevanten Lösungen garantiert eingeschlossen wird - keine Aussage über physikalische Größen wie z.B. die Temperaturverteilung im SOFC-Stackmodul erlauben. Daher ist es insbesondere für die verlässliche Parameteridentifikation und auch für die Entwicklung robuster Regler und Beobachter unumgänglich, Strategien zur garantierten Detektion und Reduktion von Überschätzung zu erarbeiten. Diese Strategien basieren auf der Ausnutzung physikalischer Erhaltungssätze (erster Hauptsatz der Thermodynamik für die Beschreibung des thermischen Verhaltens von SOFC-Stackmodulen). Eine numerische Verifikation von dynamischen Systemmodellen (unter Verwendung von Intervallarithmatik-Software-Bibliotheken) sowie eine experimentelle Validierung am verfügbaren Brennstoffzellen-Prüfstand sind dabei unerlässliche Bestandteile. Sie erlauben es, derartige Verfahren zu implementieren und mit bestehenden Ansätzen, welche zumeist auf der klassischen Gleitkommaarithmetik beruhen, zu vergleichen. Aktuelle experimentelle Arbeiten zielen daher auf eine Veranschaulichung der Vorteile neuartiger Intervallverfahren gegenüber klassischen linearen und nichtlinearen Methoden der Regelungstechnik ab. Hierbei steht der gesicherte Nachweis der Robustheit von Regelungs- und Beobachteransätzen sowie der garantierte Nachweis von Stabilität (trotz Mess- und Modellierungsunsicherheiten sowie einer endlich-dimensionalen Approximation verteilt-parametrischer Systemmodelle) im Fokus. Messdaten für folgende Betriebszustände eines Brennstoffzellensystems werden dabei u.a. für die Systemidentifikation und für den experimentellen (sowie numerisch rechnergestützten Robustheitsnachweis) herangezogen: • Aufheizen des Stackmoduls mittels einer Enthalpiestrom-Regelung der Anoden- und Kathodengas- Vorheizer (Einsatz von Stickstoff an der Anode und elektrisch vorgeheizter Luft an der Kathode); • Identifikation und gesicherte Vermeidung lokaler Übertemperaturen im dynamischen Hochtemperaturbetrieb des SOFC-Moduls (Variable elektrische Lastanforderung sowie Variation von Temperatur und Zusammensetzung des Anodengases; insbesondere variable Wasserstoffmassenströme); • Einsatz robust stabilisierender Regelungen (Anwendung von Intervallmethoden in Echtzeit); • Kopplung des thermischen Teilsystemmodells mit einer regelungsorientierten Beschreibung des elektro-chemischen Brennstoffzellenverhaltens. Diese Experimente sollen zeigen, wie neuartige Verfahren auf Basis der Intervallarithmetik auch für komplexe Prozesse der Brennstoffzellenregelung in einem industriellen Umfeld eingesetzt werden können. Darüber hinaus zielen alle experimentellen Arbeiten darauf ab, nichtlineare Regelungsansätze zu entwerfen und zu veranschaulichen. Diese sollen die Anwendbarkeit und Lebensdauer von Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodulen in einem industriellen Umfeld verbessern, in dem bislang für stationäre Arbeitspunkte ausgelegte, lineare Regelungsansätze den Stand der Technik repräsentieren und dabei jedoch nur unzureichende Resultate hinsichtlich Regelgüte und Verlässlichkeit liefern.
Publications
- Parameter Identification and Observer-Based Control for Distributed Heating Systems - The Basis for Temperature Control of Solid Oxide Fuel Cell Stacks. Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, Volume 18, No. 4, pp. 329-353, 2012
Rauh, Andreas; Aschemann, Harald
- Thermal Behavior of High-Temperature Fuel Cells: Reliable Parameter Identification and Interval-Based Sliding Mode Control. SoftComputing, Vol. 17, No. 8, pp. 1329-1343, 2013
Dötschel, Thomas; Auer, Ekaterina; Rauh, Andreas; Aschemann, Harald
- An Environment for Testing, Verification and Validation of Dynamical Models in the Context of Solid Oxide Fuel Cells. Reliable Computing: Special volume devoted to material presented at SCAN 2012, Novosibirsk, Russia, Vol. 19, Issue 3, pp. 302-317, 2014
Kiel, Stefan; Auer, Ekaterina; Rauh, Andreas
- Interval Methods for Real-Time Capable Robust Control of Solid Oxide Fuel Cell Systems. Mathematics in Computer Science, September 2014, Volume 8, Issue 3–4, pp 525–542
Rauh, Andreas; Senkel, Luise; Auer, Ekaterina; Aschemann, Harald
(See online at https://doi.org/10.1007/s11786-014-0205-x) - Interval Methods for Sensitivity-Based Model-Predictive Control of Solid Oxide Fuel Cell Systems. Reliable Computing: Special volume devoted to material presented at SCAN 2012, Novosibirsk, Russia, Vol. 19, Issue 4, pp. 361-384, 2014
Rauh, Andreas; Senkel, Luise; Kersten, Julia; Aschemann, Harald
- Numerical Verification and Experimental Validation of Sliding Mode Control Design for Uncertain Thermal SOFC Models. Reliable Computing: Special volume devoted to material presented at SCAN 2012, Novosibirsk, Russia, Vol. 19, Issue 4, pp. 330-350, 2014
Rauh, Andreas; Senkel, Luise; Dötschel, Thomas; Auer, Ekaterina; Aschemann, Harald
- Reliable Control of High-Temperature Fuel Cell Systems using Interval-Based Sliding Mode Techniques. IMA Journal of Mathematical Control and Information, Volume 33, Issue 2, 1 June 2016, Pages 457–484
Rauh, Andreas; Senkel, Luise; Kersten, Julia; Aschemann, Harald
(See online at https://doi.org/10.1093/imamci/dnu051)
