Optimización de la Eficiencia de Combustible de Celdas de Combustible de Óxido Sólido Basada en Filtros de Kalman Implementable en Tiempo Real
Autores: Rauh, Andreas
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2021
Acceso abierto
Artículo científico
2021
Optimización de la Eficiencia de Combustible de Celdas de Combustible de Óxido Sólido Basada en Filtros de Kalman Implementable en Tiempo Real
Categoría
Ciencias Medioambientales
Subcategoría
Desarrollo sostenible
Palabras clave
Característica de potencia eléctrica
Celdas de combustible de óxido sólido
Técnicas de filtro estocástico
Filtros de Kalman
Eficiencia del combustible
Polarización óhmica
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 35
Citaciones: Sin citaciones
La característica de potencia eléctrica de las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) depende de numerosos factores influyentes. Estos son el flujo másico de hidrógeno suministrado, la distribución de temperatura en el interior del conjunto de pilas de combustible, las temperaturas de los medios de reacción suministrados en el ánodo y el cátodo, y, lo más importante, la corriente eléctrica. Describir todas estas dependencias mediante modelos analíticos del sistema es casi imposible. Por lo tanto, es razonable identificar estas dependencias mediante técnicas de filtrado estocástico. Una opción posible es el uso de filtros de Kalman para encontrar aproximaciones localmente válidas de las características de potencia. Estos pueden ser utilizados para numerosos propósitos en línea de pilas de combustible operadas dinámicamente, como el seguimiento del punto de máxima potencia o la maximización de la eficiencia del combustible. En este último caso, se debe asegurar que la operación de la pila de combustible esté restringida al régimen de polarización óhmica. Este aspecto es crucial para evitar fenómenos de escasez de combustible que pueden no solo llevar a una operación ineficiente del sistema, sino también a una degradación acelerada. En este documento, se propone una optimización de la eficiencia del combustible basada en un filtro de Kalman, implementable en tiempo real para SOFC, que tiene en cuenta las restricciones de viabilidad mencionadas anteriormente. Esencialmente, la estrategia propuesta consiste en dos fases. Primero, se estiman los parámetros de una aproximación de la característica de potencia eléctrica. Los argumentos medibles de esta función son el flujo másico de hidrógeno y la corriente del conjunto eléctrico. En una segunda etapa, estas entradas se optimizan para que se alcance una potencia de conjunto deseada de la manera más óptima. Se presentan resultados de simulación que muestran la robustez de la técnica propuesta frente a inexactitudes en el conocimiento a priori sobre las características de potencia. Para una validación numérica, se consideran tres modelos diferentes de la característica de potencia eléctrica: (i) un modelo de red neuronal estática de entrada/salida, (ii) una representación de sistema dinámico de primer orden y (iii) la combinación de un modelo de red neuronal estática con un modelo de ecuación diferencial fraccionaria de bajo orden que representa fases transitorias durante los cambios entre diferentes puntos de operación eléctrica.
Descripción
La característica de potencia eléctrica de las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) depende de numerosos factores influyentes. Estos son el flujo másico de hidrógeno suministrado, la distribución de temperatura en el interior del conjunto de pilas de combustible, las temperaturas de los medios de reacción suministrados en el ánodo y el cátodo, y, lo más importante, la corriente eléctrica. Describir todas estas dependencias mediante modelos analíticos del sistema es casi imposible. Por lo tanto, es razonable identificar estas dependencias mediante técnicas de filtrado estocástico. Una opción posible es el uso de filtros de Kalman para encontrar aproximaciones localmente válidas de las características de potencia. Estos pueden ser utilizados para numerosos propósitos en línea de pilas de combustible operadas dinámicamente, como el seguimiento del punto de máxima potencia o la maximización de la eficiencia del combustible. En este último caso, se debe asegurar que la operación de la pila de combustible esté restringida al régimen de polarización óhmica. Este aspecto es crucial para evitar fenómenos de escasez de combustible que pueden no solo llevar a una operación ineficiente del sistema, sino también a una degradación acelerada. En este documento, se propone una optimización de la eficiencia del combustible basada en un filtro de Kalman, implementable en tiempo real para SOFC, que tiene en cuenta las restricciones de viabilidad mencionadas anteriormente. Esencialmente, la estrategia propuesta consiste en dos fases. Primero, se estiman los parámetros de una aproximación de la característica de potencia eléctrica. Los argumentos medibles de esta función son el flujo másico de hidrógeno y la corriente del conjunto eléctrico. En una segunda etapa, estas entradas se optimizan para que se alcance una potencia de conjunto deseada de la manera más óptima. Se presentan resultados de simulación que muestran la robustez de la técnica propuesta frente a inexactitudes en el conocimiento a priori sobre las características de potencia. Para una validación numérica, se consideran tres modelos diferentes de la característica de potencia eléctrica: (i) un modelo de red neuronal estática de entrada/salida, (ii) una representación de sistema dinámico de primer orden y (iii) la combinación de un modelo de red neuronal estática con un modelo de ecuación diferencial fraccionaria de bajo orden que representa fases transitorias durante los cambios entre diferentes puntos de operación eléctrica.