Batterie- und Brennstoffzellensysteme

Modellierung und Simulation von Brennstoffzellensystemen André Weber Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffe der Elektrotechnik IAM-WET Adenauerring 20b, Geb. 50.40 (FZU), Raum 314 phone: 0721/608-7572, fax: 0721/608-7492 [email protected] www.iam.kit.edu/wet

KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

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Elektrochemische Energiewandlung in Brennstoffzellen Verluste und Wirkungsgrade im Brennstoffzellensystem thermodynamischer WG:

ηth =

∆G T∆S = 1− ∆H ∆H

elektrochemischer WG:

ηel =

Ucell nFUcell =− Uth ∆G

Brenngasausnutzung:

βf =

umgesetzter Brennstoff zugeführter Brennstoff

Reformerwirkungsgrad:

ηr e f =

el. Nettowirkungsgrad

ηelectrical = ηth ⋅ ηel ⋅ ηf ⋅ βf ⋅ ηRe f ⋅ ηelS =

therm. Nettowirkungsgrad

ηthermal =

Gesamtwirkungsgrad

ηtot = ηelectrical + ηthermal

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∆H ∆Hfuel

Faraday WG:

el. Systemwirkungsgrad:

ηf =

I Im

ηelS =

Wel nFUcell

produzierte el. Energie zugeführte chem. Energie

Nutzwärme zugeführte chem. Energie

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BSZ-Systeme Modellierung und Simulation Datenerfassung während Systembetrieb

Modellierung des Brennstoffzellen Systems experimentelles Modell basierend auf erfassten Daten und physikalischem Wissen (Energieerhaltung, Massenerhalt)

Pel,ac Pel,dc

Systemkomponenten Modelle:

TRef.

begrenzte Anzahl von messbaren Werten

mgas,1 mliquid

mair

desulfurizer

Reformer

cooler

ki,j,Cth,...

air-filter

ShiftConverter

cooler

compressor

COcleaning

humidif.

humidif.

Stack

pump condenser

Quelle: IAM-WET

DC/AC

Pel Pth

afterburner

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mgas,2

System Modell:

THum.

mfuel

Pth

heat exchanger

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System Technology Tested PEMFC CHP System EDISon system description power source: natural gas reformer unit: Fraunhofer ISE steam reformer (800°C) CO shift (245°C – 300°C) fuel cell unit: ZSW Ulm SelOx (45°C, CO < 30ppm) PEM (80 cells) total power output: ~ 1.8 kW electrical ~ 4 kW thermal

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System Diagram and Main Measurement Points

Grid

Inner Cooling

C

DC/AC

V T

Reformate Offgas

Air Out

T

Cooling 2

F p

heat exchanger

T

Cooling 1

H

PEMFC Air

T

heat exchanger

F T

F

Thermal Load

T

T

p

CO Cleaning

p

heat exchanger

T

T F T

T

F

Air

T

Steam Reformer

heat exchanger T

heat exchanger

Burner

F p

T T

T

T

T

CO Shift

p

vaporizer

Exhaust

T

p

T

Temperature

F

Flow

p

Pressure

H

Humidity

V

Current, Voltage

F

Air

F

F

F

Natural Gas Water Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik Quelle: IAM-WET

C

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Modeling Approach Variable System Model Structure simulation environment for all kinds of FC CHP systems properties

Exhaust Exhaust Treatment

Control

Water Fuel

Wastewater Treatment

Fuel Processing

ReformatOffgas Treatment

Air

• main subsystem groups

Air-Offgas Treatment

Air Processing FC (Power Module)

Water

Process Water Processing

Thermal Power

Thermal Management 3)

Cooling

Cooling Power Management

Auxiliary Electrical Power

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Electrical Power

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Modeling Approach Variable System Model Structure simulation environment for all kinds of FC CHP systems properties

Exhaust Exhaust Treatment

Control

Water Fuel

Wastewater Treatment

Fuel Processing

ReformatOffgas Treatment

Air

Air-Offgas Treatment

• each subsystem group has clearly defined and fixed interfaces

Air Processing FC (Power Module)

Water

Process Water Processing

• main subsystem groups

Thermal Power

Thermal Management 3)

Cooling

Cooling Power Management

Auxiliary Electrical Power

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Electrical Power

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Modeling Approach Variable System Model Structure simulation environment for all kinds of FC CHP systems properties

Exhaust Exhaust Treatment

Control

Water Fuel

Wastewater Treatment

Fuel Processing

ReformatOffgas Treatment

Air

Air-Offgas Treatment

• each subsystem group has clearly defined and fixed interfaces

Air Processing FC (Power Module)

Water

Process Water Processing

• main subsystem groups

Thermal Power

Thermal Management 3)

Cooling

Cooling Power Management

Auxiliary Electrical Power

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Electrical Power

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Modeling Approach Variable System Model Structure simulation environment for all kinds of FC CHP systems properties

Exhaust Exhaust Treatment

Control

Water Fuel

Wastewater Treatment

Fuel Processing

ReformatOffgas Treatment

Air

Air-Offgas Treatment

• each subsystem group has clearly defined and fixed interfaces

Air Processing FC (Power Module)

Water

Process Water Processing

• main subsystem groups

Thermal Power

Thermal Management 3)

Cooling

Cooling Power Management

Auxiliary Electrical Power

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Electrical Power

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Modeling Approach Variable System Model Structure simulation environment for all kinds of FC CHP systems properties

Exhaust Exhaust Treatment

Control

Water Fuel

Wastewater Treatment

Fuel Processing

ReformatOffgas Treatment

Air

Air-Offgas Treatment

• each subsystem group has clearly defined and fixed interfaces

Air Processing FC (Power Module)

Water

Process Water Processing

• main subsystem groups

Thermal Power

Thermal Management 3)

Cooling

Cooling Power Management

Auxiliary Electrical Power

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Electrical Power

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Modeling Approach Variable System Model Structure simulation environment for all kinds of FC CHP systems properties

Exhaust Exhaust Treatment

Control

Water Fuel

Wastewater Treatment

Fuel Processing

ReformatOffgas Treatment

Air

Air-Offgas Treatment

• each subsystem group has clearly defined and fixed interfaces

Air Processing FC (Power Module)

Water

Process Water Processing

• main subsystem groups

Thermal Power

Thermal Management 3)

Cooling

Cooling Power Management

Auxiliary Electrical Power

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Electrical Power

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Modeling Approach Variable System Model Structure simulation environment for all kinds of FC CHP systems properties

Exhaust Exhaust Treatment

Control

Water Fuel

Wastewater Treatment

Fuel Processing

ReformatOffgas Treatment

Air

Air-Offgas Treatment

• each subsystem group has clearly defined and fixed interfaces

Air Processing FC (Power Module)

Water

Process Water Processing

• main subsystem groups

Thermal Power

Thermal Management 3)

Cooling

Cooling Power Management

Auxiliary Electrical Power

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Electrical Power

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Modeling Approach Variable System Model Structure simulation environment for all kinds of FC CHP systems properties

Exhaust Exhaust Treatment

Control

Water Fuel

Wastewater Treatment

Fuel Processing

ReformatOffgas Treatment

Air

Air-Offgas Treatment

• each subsystem group has clearly defined and fixed interfaces

Air Processing FC (Power Module)

Water

Process Water Processing

• main subsystem groups

Thermal Power

Thermal Management 3)

Cooling

• system model structure implemented in MATLAB/Simulink®

Cooling Power Management

Auxiliary Electrical Power

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Electrical Power

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Phasenplan der Modellbildung

O. Zirn, Mod. u. Sim. mechatronischer Systeme,2002

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Modellbildung BZ-BHKW

Ziele:

- allgemeines, parametrierbares und variables Systemmodell - Informationen über Ein- und Ausgangsgrößen, innere Zustandsgrößen - Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad der Systeme im statischen und dynamischen Betrieb Daraus entstehende konkrete Anforderungen an das Systemmodell: 1.) Nutzbar für Parameteridentifikation (Modellierungstiefe und Simulation in Abhängigkeit der vorhandenen Parameter) 2.) Möglichkeit zur Einbindung von externen Komponentenmodellen (passende Schnittstellen) 3.) Problemlose Anpassung an andere Systemvarianten (BZ-Typen, Reformertypen) 4.) Hohe Dynamik Wünschenswert: 5.) Nutzbar für Verschaltungssimulationen (Verbund und Lastfolgeverbund) 6.) Einsatz in „Hardware in the Loop“ – Anwendungen (HIL)

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Vorgehen

Mischung aus Modellierung und Identifikation

White Box

Grey Box

Black Box

Abnahme der Systeminformation

Konkrete Schritte: • Gliederung in Modellebenen • Einteilen in sinnvolle Untermodelle • Festlegen der allgemeinen Ein- und Ausgangsgößen und Parameter • Erstellen der Modellvorlage • Festlegen der Modellgleichungen • Umsetzung in der Simulationssoftware TOP - DOWN - Modellierung

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Modellstruktur - Ebene 0 -

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Modellstruktur - Ebene 1 -

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Modellstruktur - Ebene 2 -

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Modellstruktur - Ebene 3 -

Brennstoff-Aufbereitung

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Modellstruktur - Ebene 4a -

Edukt-Aufbereitung

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Modellstruktur - Ebene 4b -

Synthesegas-Erzeugung

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Modellstruktur - Ebene 4c -

Gasreinigung

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Realisierung in MATLAB/Simulink

• Direkte Umsetzung der Modellstruktur möglich • Übersichtlicher und klarer Aufbau möglich • Einfache Einbindung des Modells als Subsystem

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Basismodell

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Resultat des Modellansatzes

Modell ist variabel Möglichkeit zum Test unterschiedlicher Systemvarianten

Verschaltungssimulationen möglich

Einsatz in der Prototypentwicklung

Einbindung in Reglerstrukturen möglich

Basismodell

Einsatz von externen Komponentenmodellen Möglichkeit der Anwendung von Modellbibliotheken

Modell besitzt allgemeine Schnittstellen

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Modell ist parametrierbar

Einsatz zur Systemidentifikation Nutzbar für Parameteridentifikation

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Simulation: Programmstruktur

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Möglicher Programmablauf

Umsetzung in MATLAB: • Schnittstelle zu Simulink • Graphical User Interface – Programmierung (GUI) • Diverse Toolboxen (Systemidentifizierung, Hardwareanbindung, Steuerung, …)

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Möglicher Programmablauf

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Variable System Model Structure simulation environment for all kinds of FC CHP systems properties

Exhaust Water Fuel

Air

• each subsystem group has clearly defined and fixed interfaces. • system model structure implemented in MATLAB/Simulink®.

Thermal Power

Water

Cooling Cooling

Auxiliary Electrical Power

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• FC CHP model library was developed using existing and own developed models.

Electrical Power

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Parametrierbares Modell für Brennstoffzellen Blockheizkraftwerke

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Modeling Approach Variable Stationary PEMFC System - FuelModel Processing Structure Methane Standard interface arrays

APU PEMFC - Fuel Processing Methanol Vaporizer

Steam Reformer

Palladium Membrane

Burner

Stationary SOFC - Fuel Processing Methane

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• np total mole flow (mol/s) •p pressure (bar) •T temperature (K) • x_H2 mole fraction gas or fluid • x_O2 . • x_CH4 . • x_CO . • x_CO2 • x_N2 • x_H2O • x_CH3OH • x_C2H5OH • x_gas/fluid_1 •… • P_therm thermal power (W) • P_el electrical power (W) • Qp heat flux (W)

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Modeling Approach Variable System Model Structure Standard interface arrays • np total mole flow (mol/s) •p pressure (bar) •T temperature (K) • x_H2 mole fraction gas or fluid • x_O2 . • x_CH4 . • x_CO . • x_CO2 • x_N2 • x_H2O • x_CH3OH • x_C2H5OH • x_gas/fluid_1 •… • P_therm thermal power (W) • P_el electrical power (W) • Qp heat flux (W)

• flexible model structure for components and the system • use of already existing and own developed models • models in nearly any grade of detail (depends on calculation time and MATLAB/Simulink®) Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik Quelle: IAM-WET

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Modeling Approach Model Library Lookup Table (steady state) and Electrical Component Models

General Component Models

Extended General Component Models

species balance

species balance electrochemistry

heat balance

blowers compressors pumps inverters power electronic devices

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reformer steps heat exchangers vaporizers burners

heat balance

fuel cells

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System Component Modeling: Natural Gas Steam-Reformer species balance using the chemical equilibrium

heat balance component model

steam reforming reaction: CH4 + H2O ⇔ CO + 3H2

0 ∆RH298 K = 206.1kJ / mol

species balance

CO shift reaction: CO + H2O ⇔ CO2 + H2

0 ∆RH298 K = −41.2kJ / mol

input

output

values

values heat balance

equation system for the simultaneously occurring reactions: K p,I

( nCO,in + x1 − x2 ) ⋅ ( nH2 ,in + 3 xI + x2 )3 ∆ RGI 1 = exp( − )= ⋅ 0 2 R ⋅T ( nCH4 ,in − x1 ) ⋅ ( nH2O,in − x1 − x2 ) ( ntot ,in )

K p,II = exp( −

( nCO2 ,in + x2 ) ⋅ ( nH2 ,in + 3 xI + x2 ) ∆ RGII )= R ⋅T (nCO,in + x1 − x2 ) ⋅ ( nH2O,in − x1 − x2 )

Where, K is the equilibrium constant p is the partial pressure

n is the mole quantity xi is the mole amount taking part at the reaction.

• the heat balance (differential equation system) is used to model the component dynamic behavior • model parameters: heat transfer rates, volumetric component sizes • result: calculated component temperature (0-dimensional model)

solved in MATLAB/Simulink® Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik Quelle: IAM-WET

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System Component Modeling: Model Validation comparison of measured and simulated heating up (EDISon reformer) 900

temperature / °C

800 700

start of the controller algorithm

600

• measurement: PI controller of the EDISon control program • simulation: implemented PI controller algorithm

500 400

Temp_STR measured

300

Temp_STR simulated

200 100 0 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

time / s Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik Quelle: IAM-WET

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System Component Modeling: PEMFC 0-dimensional simplified PEMFC model based on electrochemical fuel cell theory cell voltage (V-I-curve):

species balance

UCell = URev − ηAct ,A − ηAct ,K − ηDiff ,A − ηDiff ,K − ηΩ reversible cell voltage: URe v

RTFC pH ⋅ pO −∆RG 0 ∆RS 0 0 = + (T − TFC ) + zF ln zF zF pH O ⋅ p 0 2

2

2

H2 +

1 O 2 2

0 ∆RH298 K = −241.82kJ / mol

nɺH ,out = nɺH ,in − nɺH ,used 2

2

2

nɺO ,out = nɺO ,in − 21 nɺH ,used 2

2

2

nɺH O,out = nɺH O,in + nɺH ,used 2

activation overvoltage (Butler-Volmer):      zF zF η Act  − exp  −α η Act   J = J 0 exp  (1 − α ) RTFC RTFC     

⇔ H2O

nɺtotal

2

2

nɺ = ∑ nɺ i , χ i = i i =1 nɺtotal m

Where, n is the mole amount X is the mole fraction

heat balance ohmic overvoltage: η Ω = ( ( ρ ⋅ δ ) Anode + ( ρ ⋅ δ )Membrane + ( ρ ⋅ δ )Cathode ) ⋅ J FC diffusion overvoltage:

ηDiff =

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 RTFC  J ln  1- FC  zF  JDiff ,max 

• 4 differential equations: cooling circuit, gas channels anode, gas channels cathode, fuel cell stack • heat transfer rates, species transport / flow www.iam.kit.edu/wet Vorlesung MES 07 - BSZ-Systemmodelle.pptx, Folie: 37, 04.05.2015

System Component Modeling: Model Validation 1

GORE 5561 126 cm² nom. current: 35 A nom. power: 1,3 kW air, ventilated atmospheric pressure water cooled

0,9

2250

0,8

2000

0,7

1750

0,6

1500

0,5

1250

0,4

1000

100% H2

0,3

anode conversion: 70%

0,2

cathode conversion: 30%

V-I measurement

stack power / W

ZSW 80 cell PEMFC stack

cell voltage / V

measurement:

2500

750

V-I simulation

500

P measurement

0,1

P simulation

250

0

0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

current density / A/cm²

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Modeling Approach Physical Modeling: Electrochemistry Empirical Degradation PEMFC model based on Amphlett(*) (valid for 1-2 kWel PEMFC stacks) stack voltage (polarization curve):

(*)

U FC = UTheoretical −η Act − ηΩ ohmic overvoltage (1 semi-empirical parameter):

η Ω = − ( RElectrode + RMembrane ) ⋅ I FC RMembrane

r ⋅δ = Membrane Membrane ACell

rMembrane

λage = λ 0 + λDR ⋅ age

J. C. Amphlett et al., J. Electrochem. Soc., 142 (1995) R. F. Mann et al., Journal of Power Sources, 86 (2000) M. W. Fowler et al., Journal of Power Sources, 106 (2002)

2  I FC  TFC  I FC 2.5  181.6 ⋅ 1 + 0.03 ⋅ ( ) + 0.062 ⋅  ⋅( )   A A  303    =   TFC − 303   I FC   λ − 0.634 − 3 ⋅ ( ) ⋅ exp 3.25 ⋅      age A  T FC   

activation overvoltage (4 empirical parameters):

η Act = ξ1 + ξ 2 ⋅ TFC + ξ3 ⋅ TFC ⋅ ln cO

2 , eff

+ ξ 4 ⋅ TFC ln I FC

[ I FC ] = A

kcell = 0.00295

ξ1 = −0.948(± 0.004) ξ3 = ( 6.8 ± 0.2 ) ⋅10−5 ξ 4 = ( −1.97 ± 0.05 ) ⋅10−4 k = −0.055 µV ⋅ K DR h

ξ 2 = k DR ⋅

age 0 + kcell + 0.000197 ⋅ ln ACell + 4.3 ⋅10−5 ⋅ ln cH2 ,eff TFC

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mol cm³ µV ⋅ K [kDR ] = h [c ] =

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Modeling Approach Physical Modeling: Dynamic heat balance ambiance TA,out , nɺ A,out

equation system - 4 differential equations: anode, cathode, cooling, stack - terms: heat transfer rates species transport species flow

Qɺ amb TC ,out , nɺC ,out

TFC , mFC

Qɺ A

Qɺ C

Ptherm

anode

Qɺ cond ,C

Qɺ cond , A

cathode

Qɺ speciestransport

TC ,in , nɺC ,in

TA,in , nɺ A,in

Qɺ cooling

Tcooling ,in , nɺcooling ,in Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik Quelle: IAM-WET

cooling

Tcooling ,out , nɺcooling ,out www.iam.kit.edu/wet

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Modellbildung Einzelkomponenten Wechselrichter – Aufbereitung der BSZ-Spannung U

U Pel

U Pel

I

I

I

I U

DC/DC Wandler

I U

DC/AC Wandler

U

Last

BSZ

t

Wechselrichter Modul

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Modellbildung Einzelkomponenten Wechselrichter – Ausgangsspannung; Vergleich Modell / reales System Simulation Simulink-Modell

400

[V]

400

Messung am System

200

200

0

0

-200

-200

-400

Time (s) 0

0.005

0.01

0.02

0.015

-400

0

0.005

0.01

0.015

0.02

Fundamental (50Hz) = 310.6 Mag (% of Fundamental)

100 1.5

THD= 1.7%

THD= 2.6% 10-1

1 10-2 0.5

10-3 Frequenz (Hz)

0

0

200

400

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600

800

1000

10-4 0

100

200

300

400

500

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Wirkungsgrad

Modellbildung Einzelkomponenten Wechselrichter – Wirkungsgrad 1

Kenndaten Uein= 39 V Uein= 65 V

0.95 0.9 0.85

Messung

0.8

Uein= 54 V

0.75

Modell

0.7

Uein= 32 V

0.65 0.6 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Eingangsleistung [W] Hoher Wirkungsgrad bei Teil- und Volllast

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Modellbildung Einzelkomponenten Wechselrichter – Rückwirkung auf Stackstrom (Gleichstrom) Simulation Simulink-Modell

Messung am System Strom / A

Strom / A

12 10 10.5

8

30 25 20

6

15 9.5

4

10

2

8.5 0.04

0.05

0.06

0 0

0.02

0.04

70% Stackleistung 50% Stackleistung

5 0.06

0.08

Strom Ripple: ~6% (± 0.7A) Frequenzanteile: 100 Hz, 2kHz

0.1sec

0

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1sec

Strom Ripple: ~10% (± 2.5A) Frequenzanteile: 100 Hz

Keine Herstellerinformation über genauen Schaltungsaufbau

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Modellbildung Einzelkomponenten Hilfsaggregate – Vorgehensweise Modellierung

vereinfachte physikalische Modelle zur Leistungsaufnahme z.B. Pumpe: Pelektr=

1 · ηP m g h

• Abschätzung des Wirkungsgrades der Pumpe • Abschätzung der Förderhöhe h

Strom [A] Förderstrom [l/min]

gewählter Modellansatz

Literatur*

Kennlinie von Hersteller incl. Kenndaten (UVersorgung)

Druck [bar] allgemeines Modell zu ungenau

Genauere Modellierung des Leistungsbedarfs

*P.Beckhaus, Universität Duisburg Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik Quelle: IAM-WET

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Modellbildung Einzelkomponenten Hilfsaggregate – Bestimmung des Leistungsbedarfs Wasserpumpe

Kompressor

Versorgungsspannung: 12V

Modell Leistungsregelung Druckbehälter mit 2Punkt Regler

Kompressor

Druckbehälter p

P P t

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t www.iam.kit.edu/wet Vorlesung MES 07 - BSZ-Systemmodelle.pptx, Folie: 46, 04.05.2015

Modellbildung Einzelkomponenten Hilfsaggregate – Bestimmung des Leistungsbedarfs Lüfter Anlagendruck [Pa]

Lüfterkennlinie

PNenn

Förderleistung [m3/h] Leistungsregelung PWM geregelte Drehzahl (~Förderleistung)

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Modell Lineare Abnahme von PNenn bei sinkender Förderleistung

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Measurements and Simulation Using the Model Approach to Determine System Values prototype & accessible systems • EDISon system, … • interesting system values fully accessible

systems used for model validation • simulation of different operation modes

• can be operated in “abnormal” operation modes

• used for problem and efficiency detection

• system efficiencies and optimization potential detectable

• value simulation of restricted systems

system values to be determined internal:

gas composition, temperatures, flows, power losses and consumption, …

external:

total cooling flow, gas consumption, exhaust, output power, system efficiency, …

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www.iam.kit.edu/wet Vorlesung MES 07 - BSZ-Systemmodelle.pptx, Folie: 48, 04.05.2015

Measurements and Simulation Determining Internal System Values: CO Content 0,45

800

(1)

0,4

700 600

0,3

500

0,25 400

0,2 (2)

300

0,15 0,1 0,05 0 02:50

temperature / °C

CO content / mol-%

0,35

200

CO content content measured simulated CO CO content measured Temp_Ref (1) Temp_Ref (1) Temp_MTS Temp_MTS (2) (2)

100 0

03:20

03:50

04:20

04:50

05:20

time / hh:mm Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik Quelle: IAM-WET

www.iam.kit.edu/wet Vorlesung MES 07 - BSZ-Systemmodelle.pptx, Folie: 49, 04.05.2015

Measurements and Simulation Determining External System Values: Efficiencies 1,0

50% of max. system power

measurement

60%

70%

60%

50%

70%

50%

65%

55%

50%

1,4

0,9

average efficiencies • ηel : 15,1% • ηth : 26,4%

0,8

0,6

0,8

0,5 total

0,6

0,4 0,3

consumption / m³/h

1

natural gas

0,7 efficiency

• total efficiency: ηtotal : 41,5%

1,2

0,4

thermal

0,2 0,2 electrical

0,1 0,0

0 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

time / s Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik Quelle: IAM-WET

www.iam.kit.edu/wet Vorlesung MES 07 - BSZ-Systemmodelle.pptx, Folie: 50, 04.05.2015

Measurements and Simulation Determining External System Values: Efficiencies 1,0

50% of max. system power

measurement

60%

70%

60%

50%

70%

50%

65%

55%

50%

1,4

0,9 0,8

simplified reformer controller model

0,7

natural gas

1,2

1

0,6

0,8

0,5 total

• constant heat loss • no CO-shift air cooling implemented • almost constant gas consumption for burner and reformer

0,6

0,4 0,3

consumption / m³/h

• total efficiency: ηtotal : 41,5%

efficiency

average efficiencies • ηel : 15,1% • ηth : 26,4%

0,4

thermal

0,2 0,2

electrical

0,1 0,0

0 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

time / s Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik Quelle: IAM-WET

www.iam.kit.edu/wet Vorlesung MES 07 - BSZ-Systemmodelle.pptx, Folie: 51, 04.05.2015

Measurements and Simulation Determining External System Values: Efficiencies 1,0

50% of max. system power

measurement

60%

70%

60%

50%

70%

50%

65%

55%

50%

1,4

0,9

simulation average efficiencies • ηel : 14,5% • ηth : 24,9% • total efficiency: ηtotal : 39,4% average deviation of 2,1%

0,8

simplified reformer controller model

0,7

natural gas

1,2

1

0,6

0,8

0,5 total

0,6

0,4 0,3

consumption / m³/h

• total efficiency: ηtotal : 41,5%

efficiency

average efficiencies • ηel : 15,1% • ηth : 26,4%

0,4

thermal

0,2 0,2 electrical

0,1 0,0

0 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

time / s Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik Quelle: IAM-WET

www.iam.kit.edu/wet Vorlesung MES 07 - BSZ-Systemmodelle.pptx, Folie: 52, 04.05.2015

Measurements and Simulation Model-Aided System Optimization Grid

Inner Cooling

DC/AC

Cooling 2

heat exchanger

Reformate Offgas

Air Out

heat exchanger

Cooling 1

Thermal Load

PEMFC CO Cleaning

Air

heat exchanger

Air Steam Reformer

CO Shift

heat exchanger

heat exchanger

Burner

vaporizer

Exhaust

back feeding of the anode offgas • not hardware implemented Air Natural Gas Water

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• expected increase of the system efficiency due to the lower inlet gas consumption simulation www.iam.kit.edu/wet Vorlesung MES 07 - BSZ-Systemmodelle.pptx, Folie: 53, 04.05.2015

Measurements and Simulation Model-Aided System Optimization Grid

Inner Cooling

DC/AC

Cooling 2

heat exchanger

Reformate Offgas

Air Out

heat exchanger

Cooling 1

Thermal Load

PEMFC CO Cleaning

Air

heat exchanger

Air Steam Reformer

CO Shift

heat exchanger

heat exchanger

Burner

vaporizer

Exhaust

back feeding of the anode offgas • not hardware implemented Air Natural Gas Water

Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik Quelle: IAM-WET

• expected increase of the system efficiency due to the lower inlet gas consumption simulation www.iam.kit.edu/wet Vorlesung MES 07 - BSZ-Systemmodelle.pptx, Folie: 54, 04.05.2015

Measurements and Simulation Simulation of the System Efficiency Using the Anode Offgas 1,0

50% of max. system power

simulation 0,9

average efficiencies • ηel : 14,5% 15,1% • ηth : 24,9% 26,4%

0,8

• total efficiency: 41,5% ηtotal : 39,4%

0,6

60%

70%

60%

50%

70%

50%

65%

55%

50%

efficiency

0,7

0,5 total

0,4 0,3

thermal

0,2 electrical

0,1 0,0 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

time / s Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik Quelle: IAM-WET

www.iam.kit.edu/wet Vorlesung MES 07 - BSZ-Systemmodelle.pptx, Folie: 55, 04.05.2015

Measurements and Simulation Simulation of the System Efficiency Using the Anode Offgas 1,0

50% of max. system power

simulation

60%

70%

60%

50%

70%

50%

65%

55%

50%

0,9

average efficiencies • ηel : 14,5% • ηth : 24,9%

0,8

• total efficiency: ηtotal : 39,4%

0,6

efficiency

0,7

0,5 total

average efficiencies

0,4

• ηel : 17,2% • ηth : 29,6%

0,3

thermal

0,2

• total efficiency: ηtotal : 46,8% increase of 7,4% expected

electrical

0,1 0,0 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

time / s Institut für Angewandte Materialien Werkstoffe der Elektrotechnik Quelle: IAM-WET

www.iam.kit.edu/wet Vorlesung MES 07 - BSZ-Systemmodelle.pptx, Folie: 56, 04.05.2015